[發明專利]一種量子電流互感器

在審

• 申請號: 202110864221.3
• 申請日: 2021-07-29
• 公開（公告）號: CN113777383A
• 公開（公告）日: 2021-12-10
• 發明（設計）人: 趙龍;周憲林;唐陳;王鑫;仇茹嘉;王麗君;翟玥;張韋;吳海龍;張華友;王寧
• 申請（專利權）人: 江蘇思源赫茲互感器有限公司;國網安徽省電力有限公司電力科學研究院;國家電網有限公司
• 主分類號: G01R19/00
• 分類號: G01R19/00;G01R25/00;G01R31/08
• 代理公司: 北京一格知識產權代理事務所(普通合伙) 11316
• 代理人: 萬小俠

本發明涉及一種量子電流互感器，其特征在于：包括量子傳感器和量子測量模塊；且量子傳感器與量子測量模塊之間通過光纖相連形成回路；以NV色心具有的磁測量的高靈敏度和高頻率響應的特性，可以在連續波磁側環境下進行電流的測定；高靈敏度的磁傳感器可以精確測量電網中的電流信號，從而獲得高精度的電流幅度、相位信息，對電網的運行管理有重要意義；其次，高頻率響應范圍的磁傳感器可以監控電網中高頻沖擊信號的分布，在測量電網電流的同時監控電網的安全狀態，增強電網的安全性。

技術領域

本發明涉及電流互感技術領域，尤其涉及一種量子電流互感器。

背景技術

隨著電網規模的不斷擴大，電網系統對使用設備的安全性、可靠性、多功能性的要求也不斷提升。以電網系統的電流互感器為例，傳統的電磁式電流互感器利用電磁感應原理來測量電流強度，在長期的實踐中不斷改進與優化，為社會發展做出了巨大貢獻。但是，隨著電網規模的增加與技術指標的提升，電磁式互感器技術逐漸表現出了各種技術指標的瓶頸，比如測量帶寬小、動態范圍窄、體積龐大、能量損耗較高等缺點，此外傳統電磁式互感器的絕緣成本也很高；這些缺點與電磁式互感器的基本原理有關，很難進一步改進，因此迫切需要新技術的參與；

電子式電流互感器可以有效避免傳統的電磁式電流互感器的種種缺點。從結構設計上看，電子式電流互感器可以分為基于光纖的電流互感器、空心線圈電流互感器和鐵芯線圈電流互感器。基于光纖的電流互感器利用待測電流周圍的磁場，在光纖中產生磁致旋光效應引發光程差，從而利用干涉的光強變化計算出待測電流強度。空心線圈電流互感器和鐵芯線圈電流互感器都利用電磁感應原理來測量待測電流強度，當一次線圈內的待測電流幅度改變時，二次線圈內的磁通量也會隨之改變，收集由此產生的感應電流并積分，即可計算出待測電流。他們的區別在于，鐵芯線圈電流互感器使用鐵芯增強二次線圈內的磁通量，在增加信號幅度的同時引入了渦流損耗與磁滯效應。與傳統的電磁式互感器相比，電子式互感器體積更小，功耗更低，測量帶寬更高，可以實現高度的自動化與智能化，有著極為廣闊的應用前景。

從本質上說，光纖式電流互感器是一種基于磁測量技術的電流互感器，待測電流以磁場為媒介影響待測光的光程，而電流互感器通過干涉來測量光程差，從而利用光程差與磁場的關系計算出磁場強度。空心線圈電流互感器和鐵芯線圈電流互感器利用一次線圈上電流變化引發的磁場改變，在二次線圈中產生感應電流，這個過程中磁場也起到傳遞信息的作用。總而言之，電流互感器在很大程度上依賴于待測電流產生的磁場，因此改用高精度、高穩定性的磁測量設備可以有效優化電流互感器的工作性能。

NV 色心是金剛石中的一種點缺陷，對 NV 色心電子能級結構的研究早在上世紀90 年代就開始進行。2008 年 Taylor 等人發布的工作表明，基于 NV 色心的磁測量裝置理論上可以達到3fT/√????的靈敏度。與其他的磁傳感器相比，NV 色心有著極為優異的靈敏度與頻率響應范圍，而且作為 NV 色心載體的金剛石物理化學性質穩定，可以耐受各種極端環境。因此以 NV 色心的磁測量功能為基礎，研發出基于NV色心的電流互感器是解決現有電磁式互感器缺點的有效途徑。

發明內容

本發明要解決的技術問題是提供一種量子電流互感器，能夠解決一般的電磁式互感器測量帶寬小、動態范圍窄、體積龐大、能量損耗較高的問題。

為解決上述技術問題，本發明的技術方案為：一種量子電流互感器，其創新點在于：包括量子傳感器和量子測量模塊；且量子傳感器與量子測量模塊之間通過光纖相連形成回路；

所述量子傳感器包括導電桿、環形殼體、屏蔽單元和連接架；所述導電桿穿過環形殼體的中心位置與環形殼體同軸設置，所述環形殼體的截面呈一對關于導電桿軸線對稱的U型結構，環形殼體的U型結構形成容納屏蔽單元的容納腔；所述環形殼體的U型結構上表面設置有環形的蓋板，且環形殼體的中心上、下兩端面均設置有擋板，擋板的邊緣連接在環形殼體的內壁上，擋板的中心設置有容納導電桿穿過的通孔；