转载来源：电网头条 变电站里用上了钻石？不是你想的那样—— http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzI3MzAzMjMwNQ==&mid=2654172471&idx=1&sn=d0f397ad65ae9d9eba5f189bf244b997&scene=45#wechat_redirect
提起钻石
你脑中是不是立刻浮现出
那些璀璨夺目的戒指、项链
作为自然界最坚硬的物质
除了戴在手上、脖子上
这颗“宝石之王”
还可能出现在变电站中
成为电流互感器
不可或缺的关键部件
在工业和科研领域
我们更习惯叫它金刚石
金刚石在量子科技这条新赛道中
有了新的应用
金刚石量子电流互感器
它是变电站中不可或缺的关键设备
其核心作用是将一次侧的大电流
按比例转换为二次侧的小电流
同时实现电气隔离
为变电站的安全运行、测量、保护
和控制提供基础支持
咱们先让这项技术的“主角”亮个相
NV色心（氮—空位色心）
△NV色心（氮—空位色心）的结构。
什么是NV色心？
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
科研人员通过“氮离子注入”
给队形搞了一点小“破坏”
人为造成它的“缺陷”
怎么实现的呢？
随机选择一个碳原子把它“请”出去
然后“加塞”一个“氮原子”
紧接着，在氮原子的旁边
再特意空出一个位置
这就形成了一个特殊的组合：
一个氮原子+一个空位
这就是NV色心
别小看这个特殊组合
它就是金刚石的“神经末梢”
虽然方阵变得不再“完美”
但正是这个有“缺陷”的NV色心
才让金刚石能够感知
电流产生的磁场变化
一把藏在原子里的
量子“尺”
电流会产生磁场
测电流本质上就是测磁场
传统的电流互感器像个“大线圈”
靠电磁感应工作
而量子互感器测电流靠的是“光”和“微波”
△传统交流电流互感器结构。
当一束激光照在金刚石上
里面的NV色心吸收激光中的绿色光子后
会发出红色的荧光
荧光与磁场紧密相关
而磁场影响的是NV色心能级
通过读取NV色心能级的位置
测量能级位置之间的间隔
也就是能级间隔
就能实现电流的精准测量
因此，测量的关键在于能级间隔
什么是能级间隔？
能级间隔指的就是
NV色心内部这些不同
“能量台阶”之间的距离
这个距离不是人为随意设定的
而是由大自然里那些
最基本的规律和常数决定的
打个比方
这就像是在原子里
设置了一把特别标准的量子“尺”
这把量子“尺”的刻度是固定的
我们靠它就能精确测量
△金刚石NV色心磁场测量的原理。
但是有磁场影响的话
这把量子“尺”的能级就会发生分裂
从而使NV色心的共振微波频率产生精确、可计算的位移
就像刻度整体进行了平移
不同磁场强度下
NV色心共振频率会处于不同的频率刻度位置
用微波对NV色心扫描
当微波频率与NV色心的共振频率匹配时
NV色心发出的荧光亮度会显著减弱
通过观察荧光闪烁
我们就能读取到磁场的数值
△金刚石量子电流互感器实验装置示意图。
这种测量方式
最厉害的地方在于
它不需要像传统电流互感器那样
定期拿去校准
因为它的测量标准是自然界的物理常数
天生就准
（这就是天赋异禀～）
“碾压级”优势
测量更准、更稳、更安全
相比传统设备
如电磁式电流互感器和光纤式电流互感器
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
△电磁式电流互感器和光纤式电流互感器。
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”（磁饱和）
导致测量失灵甚至跳闸
得给它配各种保护装置
限制它的量程
而金刚石量子电流互感器
无铁芯、无磁饱和
不管是大电流
还是微小电流
在0～5000安的全量程范围内
都能保持测量数值随电流变化均匀且精准
从不会因为电流大就“罢工”
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或屏蔽罩
就能稳定工作
省了一大堆辅助设备
△合肥候店量子应用示范变电站量子电流互感器。
它的体积只有传统电流互感器的十分之一
但测量精度却提升了一个量级
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）
而金刚石量子电流互感器
实现了0.1级（误差千分之一）的测量精度
它采用全固态设计
没有绝缘油
也不用直接接触高压线
杜绝了起火和爆炸风险
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
未来它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
别只想到戒指
在它的结构深处
或许正藏着一把精密的量子“尺”
默默守护着万家灯火
从实验室的微光到变电站的晨曦，他们用7年时光，把“钻石”里的量子密码变成了守护万家灯火的现实。点击下方，看电网“追光者”如何在科技无人区点亮中国精度。
部分图片由AI生成。
感谢 | 国网安徽电力 国网安徽电科院
撰稿 | 杨哈 韩煦
视频 | 杨哈
制图 | 李洋 邸璇 张竞如
责编 | 杨哈
执行审核 | 张怀雨