[发明专利]一种量子电流互感器

说明书

本发明涉及一种量子电流互感器，其特征在于：包括量子传感器和量子测量模块；且量子传感器与量子测量模块之间通过光纤相连形成回路；以NV色心具有的磁测量的高灵敏度和高频率响应的特性，可以在连续波磁侧环境下进行电流的测定；高灵敏度的磁传感器可以精确测量电网中的电流信号，从而获得高精度的电流幅度、相位信息，对电网的运行管理有重要意义；其次，高频率响应范围的磁传感器可以监控电网中高频冲击信号的分布，在测量电网电流的同时监控电网的安全状态，增强电网的安全性。

技术领域

本发明涉及电流互感技术领域，尤其涉及一种量子电流互感器。

背景技术

随着电网规模的不断扩大，电网系统对使用设备的安全性、可靠性、多功能性的要求也不断提升。以电网系统的电流互感器为例，传统的电磁式电流互感器利用电磁感应原理来测量电流强度，在长期的实践中不断改进与优化，为社会发展做出了巨大贡献。但是，随着电网规模的增加与技术指标的提升，电磁式互感器技术逐渐表现出了各种技术指标的瓶颈，比如测量带宽小、动态范围窄、体积庞大、能量损耗较高等缺点，此外传统电磁式互感器的绝缘成本也很高；这些缺点与电磁式互感器的基本原理有关，很难进一步改进，因此迫切需要新技术的参与；

电子式电流互感器可以有效避免传统的电磁式电流互感器的种种缺点。从结构设计上看，电子式电流互感器可以分为基于光纤的电流互感器、空心线圈电流互感器和铁芯线圈电流互感器。基于光纤的电流互感器利用待测电流周围的磁场，在光纤中产生磁致旋光效应引发光程差，从而利用干涉的光强变化计算出待测电流强度。空心线圈电流互感器和铁芯线圈电流互感器都利用电磁感应原理来测量待测电流强度，当一次线圈内的待测电流幅度改变时，二次线圈内的磁通量也会随之改变，收集由此产生的感应电流并积分，即可计算出待测电流。他们的区别在于，铁芯线圈电流互感器使用铁芯增强二次线圈内的磁通量，在增加信号幅度的同时引入了涡流损耗与磁滞效应。与传统的电磁式互感器相比，电子式互感器体积更小，功耗更低，测量带宽更高，可以实现高度的自动化与智能化，有着极为广阔的应用前景。

从本质上说，光纤式电流互感器是一种基于磁测量技术的电流互感器，待测电流以磁场为媒介影响待测光的光程，而电流互感器通过干涉来测量光程差，从而利用光程差与磁场的关系计算出磁场强度。空心线圈电流互感器和铁芯线圈电流互感器利用一次线圈上电流变化引发的磁场改变，在二次线圈中产生感应电流，这个过程中磁场也起到传递信息的作用。总而言之，电流互感器在很大程度上依赖于待测电流产生的磁场，因此改用高精度、高稳定性的磁测量设备可以有效优化电流互感器的工作性能。

NV 色心是金刚石中的一种点缺陷，对 NV 色心电子能级结构的研究早在上世纪90 年代就开始进行。2008 年 Taylor 等人发布的工作表明，基于 NV 色心的磁测量装置理论上可以达到3fT/√𝐼𝑨的灵敏度。与其他的磁传感器相比，NV 色心有着极为优异的灵敏度与频率响应范围，而且作为 NV 色心载体的金刚石物理化学性质稳定，可以耐受各种极端环境。因此以 NV 色心的磁测量功能为基础，研发出基于NV色心的电流互感器是解决现有电磁式互感器缺点的有效途径。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种量子电流互感器，能够解决一般的电磁式互感器测量带宽小、动态范围窄、体积庞大、能量损耗较高的问题。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种量子电流互感器，其创新点在于：包括量子传感器和量子测量模块；且量子传感器与量子测量模块之间通过光纤相连形成回路；

所述量子传感器包括导电杆、环形壳体、屏蔽单元和连接架；所述导电杆穿过环形壳体的中心位置与环形壳体同轴设置，所述环形壳体的截面呈一对关于导电杆轴线对称的U型结构，环形壳体的U型结构形成容纳屏蔽单元的容纳腔；所述环形壳体的U型结构上表面设置有环形的盖板，且环形壳体的中心上、下两端面均设置有挡板，挡板的边缘连接在环形壳体的内壁上，挡板的中心设置有容纳导电杆穿过的通孔；