电网头条｜变电站里用上了钻石？不是你想的那样~
#背景介绍#
提起钻石，大家的脑海中会立刻浮现出那些璀璨夺目的戒指、项链。作为自然界最坚硬的物质，钻石不仅可以戴在手上、脖子上，还可能出现在变电站中，成为电流互感器不可或缺的关键传感材料。
以下内容整理自电网头条公众号
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钻石可以测电流？
在工业和科研领域，钻石通常被称作“金刚石”，用于切割玻璃的金刚石笔、金刚石刀，用于钻孔的“金刚钻”，用于抛光的金刚砂，实际上都是金刚石。
随着金刚石生长及加工技术的提升，以及科学家们对其材料性质的进一步研究，金刚石在量子科技这条新赛道中有了新的应用。
近年来，金刚石量子电流互感器在电力系统中崭露头角，有望成为变电站中不可或缺的关键设备，其中奥秘就藏在金刚石的“NV色心”中。
02
什么是NV色心？
金刚石氮-空位色心（NV色心）是量子电流互感器的核心传感材料，是金刚石中一种原子级的点状缺陷，由一个氮原子核一个空位构成。
便于理解，我们可以把金刚石想象成一支由碳原子组成的“士兵方阵”，本来每个原子都排得整整齐齐，而科研人员通过“氮离子注入”和“电子束辐照”，给碳原子方阵造成了一点小“破坏”，人为制造了一种“缺陷”。
“氮离子注入”就是在碳原子方阵中“加塞”一个氮原子（Nitrogen），“电子束辐照”就是在氮原子附近随机选择一个幸运观众将其“踢出”队伍并空出一个位置，形成“空位”（Vacancy），当氮原子和空位相邻时，就形成了一个特殊的组合——“氮-空位”（Nitrogen-Vacancy）色心。
尽管NV色心使得金刚石变得不再“完美”，但正是这个种“缺陷”才让金刚石能够感知电流产生的磁场变化。
03
藏在原子里的量子“直尺”
电流会产生磁场，绝大部分的电流测量手段本质上就是在测磁场。
传统线圈式电流互感器采用铁芯和绕组的结构，核心功能是将一次侧的大电流按比例转换为二次侧的小电流，通过对二次侧小电流的精准测量，实现对一次侧电流的间接检测与数据获取。基于一二次侧分离的结构能够有效实现电气隔离，为变电站的安全运行、测量、保护和控制提供基础支持。
△传统交流电流互感器结构
而金刚石量子电流互感器则突破传统设计局限，直接在一次侧完成电流检测，采集的数据精度更高，且可实现交直流电流的通用检测，适配性更强；同时该互感器采用全光传输技术，无需铁芯绕组，既从原理上规避了传统设备的磁饱和、铁磁谐振等问题，又能实现可靠的电气隔离，在测量稳定性、工况适应性与运行安全性上均实现大幅提升，为变电站的智能化、高精度监测提供了更优技术方案。
当一束绿色激光照在金刚石上时，其中的NV色心吸收激光后会发出红色的荧光，NV色心的不同“量子态”发出的荧光强度不同，而NV色心不同量子态所处的“能级”与磁场大小紧密相关。线路中的电流产生磁场，磁场影响NV色心的能级，通过光学手段读取NV色心能级的位置，就可以识别磁场的大小，进而实现对电流的精准测量。
因此，电流测量的关键在于读取NV色心的能级。更严谨的说，是识别NV色心不同量子态所处的能级间隔，这个间隔不是人为定义的，而是由大自然中最基本的、亘古不变的物理规律和自然常数决定。
打个比方，过去的“秒”由地球自转一圈的时间所定义，过去的“米”由一根人造的尺子所定义，“千克”则由一个人造的金属球所定义。然而，4亿年来,地球自转一周的时间变长了2小时；用于定义“千克”的国际千克原器的质量在几十年内少了约50微克。因此，这些宏观的物体做成的“尺子”并不“精准”，也不“可靠”。
而原子、原子核、人造原子等微观粒子的基本物理性质极为稳定，以NV色心为代表的量子测量手段，就像是把原子做成了“尺子”。这把量子“直尺”的刻度极其精准、稳定、可靠，我们靠它就能对物理量进行精确测量。
对于NV色心而言，在没有磁场时，NV色心两个量子态对应的“刻度”是重合的，但在磁场作用下，NV色心的能级会劈裂，这把量子“直尺”上就会出现两个“刻度”，通过读取两个刻度之间的间隔，就能读取到磁场的大小。
△金刚石NV色心磁场测量的原理
这种测量方式不仅更为精准可靠，更厉害的地方在于它不需要像传统电流互感器那样定期拿去校准检定。因为它的测量标准是自然界的物理常数，具备先天的量值准确性，简直就是“先天测量圣体”。
04
“碾压级”优势
相比电磁式电流互感器和光纤式电流互感器等传统设备，金刚石量子电流互感器的优势并非简单的参数提升，而是测量原理的代际跨越。
△电磁式、光纤式和量子电流互感器
01 “耐造”，量程大、结构稳
传统电磁式电流互感器依赖铁芯导磁，电流一大就容易“撑着”（发生磁饱和），导致测量失真甚至跳闸，因此量程较小，还需要给它配置各种保护装置。
△金刚石量子电流互感器示意图
而金刚石量子电流互感器没有铁芯，因此不存在磁饱和的问题，不管是大电流还是微小电流，在0～5000安培的超宽量程范围内都能保持测量数值随电流均匀变化，不会因为电流过大而“罢工”。
并且它一点也不“娇气”。金刚石的物理结构极其稳定，面对零下40摄氏度到零上70摄氏度的极端温度变化，以及变电站里复杂的电磁干扰，它都能“不为所动”，这意味着它不需要额外的保温箱就能稳定工作，节省一大堆辅助设备。
△合肥候店量子应用示范变电站
中的量子电流互感器
02“精准”，误差千分之一
传统电磁式互感器和光纤式互感器精度通常为0.2级（误差千分之二），而量子电流互感器的体积只有传统电流互感器的十分之一，但测量精度却提升到了0.1级（误差千分之一）。
03“安全”，杜绝起火和爆炸
它采用全固态设计，没有绝缘油和绝缘纸，也不用直接接触高压线，杜绝了起火和爆炸的风险。
05
守护“万家灯火”
目前，这项技术已经应用在220千伏合肥候店量子应用示范变电站，这也是国内首个在电网实际应用的量子项目。随着技术成熟，未来量子电流互感器会走进更多电压等级的变电站，守护咱们的万家灯火。
△合肥候店量子应用示范变电站。
下次再看到闪闪发光的钻石，不要只想到戒指和项链，在它的结构深处或许正藏着一把精密的量子“直尺”，它能以无形之力守护万家灯火。