CN110174542A - 基于量子精密测量的高电压电流互感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于量子精密测量的高电压电流互感器，属于电流的精密测量技术领域。高电压电流互感器包括：多个量子传感器，用于测量被测载流导体周围的磁场强度，量子传感器的数量为4的倍数，均布于以所述载流导体的中心轴为圆心、预定长度为半径的虚拟圆周上；绝缘腔，设置于所述载流导体和所述量子传感器之间，填充有用于避免电容效应的绝缘气体；量子检测系统，分别通过输入线、输出线与每个所述量子传感器连接，用于通过所述量子传感器获取所述载流导体周围的磁场强度，并根据所述磁场强度计算所述载流导体的电流；套管绝缘层，用于支撑和保护所述输入线、所述输出线，所述套管绝缘层和所述输入线、所述输出线之间设置有所述绝缘腔。
Description
技术领域
本发明涉及电流的精密测量技术领域，具体地涉及一种基于量子精密测量的高电压电流互感器。
背景技术
随着智能电网建设的不断推进，传统的高压电气设备逐渐向智能化、模块化、小型化、多功能和免维护方向发展。传统的电磁式电流测量装置由于测量频带窄、动态范围小、输出为模拟量等原因，难以适应智能电网的发展要求。基于法拉第磁光效应的电流测量装置具有绝缘结构简单、无磁饱和与铁磁谐振、暂态响应范围大、重量轻、体积小、输出信号数字化等优点，适应了智能电网的发展方向，已经越来越多的应用于各种新一代智能变电站中。然而，基于法拉第磁光效应的电流测量装置在实际工程应用中却暴露出许多问题，如电子器件和光学器件的抗干扰问题、温漂问题、精度问题等。
发明内容
本发明实施方式的目的是提供一种基于量子精密测量的高电压电流互感器，该高电压电流互感器可以克服传统的电流检测装置的众多缺陷，更加精确地测量电流。
为了实现上述目的，本发明实施方式提供一种基于量子精密测量的高电压电流互感器，该高电压电流互感器可以包括：
多个量子传感器，用于测量被测载流导体周围的磁场强度，所述量子传感器的数量为4的倍数，均布于以所述载流导体的中心轴为圆心、预定长度为半径的虚拟圆周上；
绝缘腔，设置于所述载流导体和所述量子传感器之间，填充有用于避免电容效应的绝缘气体；
量子检测系统，分别通过输入线、输出线与每个所述量子传感器连接，用于通过所述量子传感器获取所述载流导体周围的磁场强度，并根据所述磁场强度计算所述载流导体的电流；
套管绝缘层，用于支撑和保护所述输入线、所述输出线，所述套管绝缘层和所述输入线、所述输出线之间设置有所述绝缘腔。
可选地，所述量子传感器包括微波天线和NV色心元件；
所述高电压电流互感器进一步包括激光发生器，所述激光发生器用于向所述NV色心元件发射激光信号；
所述微波天线用于向所述NV色心元件发射微波信号；所述NV色心元件用于在接收到所述激光信号及所述微波信号的情况下，根据周围的磁场强度生成所述反馈信号；
所述量子检测系统进一步与所述微波天线、所述激光发生器连接，用于控制所述微波天线、所述激光发生器的工作，并通过所述反馈信号计算所述电流。
可选地，所述输入线包括：
连接在所述微波天线和所述量子检测系统之间、用于传输电信号的第一线路；
连接在所述激光发生器和所述NV色心元件之间、用于传输所述激光信号的第二线路。
可选地，所述第一线路与所述NV色心元件之间设置有第一透镜组，所述第一透镜组用于对所述激光信号进行汇聚处理。
可选地，所述第二线路与所述NV色心元件之间设置第二透镜组和光电转换器，所述第二透镜组用于汇聚所述NV色心元件的反馈信号，所述光电转换器用于将所述反馈信号从光信号转换为电信号。
可选地，所述高电压电流互感器进一步包括：
设置在所述套管绝缘层外部的绝缘子，所述绝缘子的外表面包括多个突尖端突起。
可选地，所述高电压电流互感器进一步包括：
设置于所述虚拟圆周外缘的磁屏蔽层。
可选地，所述高电压电流互感器进一步包括：
设置于所述磁屏蔽层外缘的外壳。
可选地，所述量子检测系统进一步用于根据公式(1)计算所述电流，
其中，为每个量子传感器测量的磁场强度的矢量，μ0为磁导率，I为所述电流，为电流的方向，为所述虚拟圆周的半径的矢量，r为所述虚拟圆周的半径。
可选地，所述高电压电流互感器进一步包括聚磁铁芯，所述聚磁铁芯为弧形，设置在所述虚拟圆周上的每两个所述量子传感器之间，用于汇聚磁场以提高所述量子传感器的测量精度。
通过上述技术方案，本发明提供的基于量子精密测量的高电压电流互感器通过采用量子检测的原理替代了传统电流测量装置测量电流的方式，解决了传统电流测量装置的测量精度受温度制约的技术问题，提高了测量电流的精度。
本发明实施方式的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图标记说明
00、载流导体 01、量子传感器
02、绝缘腔 03、量子检测系统
04、套管绝缘层 05、输入线
06、输出线 07、微波天线
08、NV色心元件 09、激光发生器
10、第一透镜组 11、第二透镜组
12、光电转换器 13、绝缘子
14、磁屏蔽层 15、外壳
16、聚磁铁芯
附图说明
附图是用来提供对本发明实施方式的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施方式，但并不构成对本发明实施方式的限制。在附图中：
图1是根据本发明的一个实施方式的基于量子精密测量的高电压电流互感器的结构示意图；
图2是根据本发明的一个实施方式的基于量子精密测量的高电压电流互感器的结构框图；
图3是根据本发明的一个实施方式的NV色心电子跃迁的原理图；
图4是根据本发明的一个实施方式的基于量子精密测量的高电压电流互感器的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施方式的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施方式，并不用于限制本发明实施方式。
在本申请实施方式中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、顶、底”通常是针对附图所示的方向而言的或者是针对竖直、垂直或重力方向上而言的各部件相互位置关系描述用词。
另外，若本申请实施方式中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施方式之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本申请要求的保护范围之内。
如图1所示是根据本发明的一个实施方式的基于量子精密测量的高电压电流互感器的结构示意图。在图1中，该高电压电流互感器可以包括多个量子传感器01、绝缘腔02、量子检测系统03和套管绝缘层04。
量子传感器01可以用于测量被测载流导体00周围的磁场强度。考虑到安培环路定律以及毕奥萨菲尔定律的特性，该量子传感器的数量可以为4的倍数，且均布于以载流导体00的中心轴为圆心、预定长度为半径的虚拟圆周上。
绝缘腔02可以设置于载流导体00和量子传感器01之间。由于本发明提供的高电压电流互感器主要应用于高电压输电的载流导体中，因此，为了避免载流导体00和量子传感器01的线路之间产生电容效应，可以在该绝缘腔02中充入绝缘气体。对于该绝缘气体，可以是本领域人员所知的任何绝缘气体或者其组合。在本发明的一个优选示例中，该绝缘气体可以是六氟化硫(SF6)气体。
量子检测系统03可以分别通过输入线05、输出线06与每个量子传感器01连接，用于通过量子传感器01获取载流导体00周围的磁场强度，并根据磁场强度计算载流导体00的电流。
套管绝缘层04可以用于支撑和保护输入线05、输出线06。此外，由于高电压的载流导体00周围存在强磁场，为了避免输入线05、输出线06受外部强磁场的干扰，因此，该套管绝缘层04和输入线05、输出线06之间可以设置有绝缘腔02。
在本发明的一个实施方式中，如图2所示，量子传感器01可以包括微波天线07和NV色心元件08。该NV色心元件08(可以是例如金刚石)中的电子存在三种基态：
如图3所示，NV色心元件08的基态与激发态的能量对应波长为637nm，所以当使用小于637nm波长的激光照射NV色心元件时，基态上的电子就会吸收能量跃迁到激发态上，激发态上的电子不稳定，则又会跃迁到基态，从而发出红色荧光(电子跃迁释放光子)，其他激发态同样也会发生这种物理现象。基于上述物理现象，可以采用激光对NV色心元件进行照射的方式来实现NV色心自旋极化到基态ms＝0上。考虑到现有技术的研究已经能够将NV色心的极化率达到90％以上，在低温环境下甚至能够达到100％，因此，可以通过元件的NV色心产生的荧光来判断NV色心的电子自旋态。
基于上述物理现象，在本发明的该实施方式中，该(高电压)电流互感器可以进一步包括激光发生器09。该激光发生器09可以用于向NV色心元件08发射激光信号以使得该元件的NV色心电子自旋到基态ms＝0上。
当NV色心元件08的外部存在磁场时，根据塞曼效应的理论，基态的电子会发生能级分裂。如图3中所示，由于电子本身存在1/2的自旋，因此，在外加磁场下，电子能分裂成两个能级。当对电子施加具有与这两个能级的能级间距相等的频率的电磁波时会引起能级间的跃迁的现象发生(ESR，电子自旋共振)，那么，通过对这两个频率差的计算即可计算出外部磁场的磁场强度。所以，该实施方式中，微波天线07可以用于向NV色心元件08发射微波信号以产生电子自旋共振现象。NV色心元件08则可以在接收到(预定频率的)微波信号的情况下，根据周围的磁场强度(发生电子自旋共振以)生成反馈信号。此外，对于该激光的波长，基于上述物理现象，对本领域人员而言，该波长应当是可知的。在本发明的一个优选示例中，该激光的波长可以是532nm。
量子检测系统03可以进一步与微波天线07、激光发生器09连接，用于控制微波天线07、激光发生器09的工作，并通过反馈信号计算电流。具体地，由于NV色心发生电子自旋共振，此时反馈信号中的红色荧光最弱，因此可以得到ODMR(Optical Detection ofMagnetic Resonance technique，光探测磁共振)谱。通过对该ODMR谱的进一步计算则可以得到每个量子传感器01测量到的磁场强度。
基于每个量子传感器01测量的磁场强度，该量子检测系统可以进一步根据公式(1)计算该载流导体00中的电流，
其中，为每个量子传感器01测量的磁场强度的矢量，μ0为磁导率，I为电流，为电流的方向，为虚拟圆周的半径的矢量，r为虚拟圆周的半径。
在本发明的一个实施方式中，如图2所示，由于量子传感器01包括微波天线07和NV色心元件08，输入线05可以包括第一线路和第二线路。该第一线路可以用于传输电信号，该电信号可以是量子检测系统03向微波天线07发送的控制信号；第二线路(优选为光纤)可以用于传输光信号，该光信号可以是激光发生器09向NV色心元件08发送的激光信号。
另外，考虑到光信号的耦合问题，第一线路与NV色心元件08之间设置有第一透镜组10。该第一透镜组10用于对激光信号进行汇聚处理。
同样地，第二线路与NV色心元件08之间可以设置第二透镜组11和光电转换器12。该第二透镜组11可以用于汇聚NV色心元件08的反馈信号，光电转换器12可以用于将反馈信号从光信号转换为电信号。
在本发明的一个实施方式中，该高电压电流互感器可以进一步包括绝缘子13。该绝缘子13可以设置在套管绝缘层04外部，该绝缘子的外表面可以包括多个突尖端突起。
在本发明的一个实施方式中，为了避免外部的磁场对量子传感器01产生影响，该高电压电流互感器可以进一步包括磁屏蔽层14。该磁屏蔽层14可以设置于虚拟圆周的外缘。另外，为了进一步保护磁屏蔽层14，该高电压电流互感器可以进一步包括设置于磁屏蔽层14外缘的外壳15。
对于本发明的量子检测系统03，可以是内置有预设软件的上位机或PC机，也可以是内置有预设程序的通用处理器、专用处理器、常规处理器、数字信号处理器(DSP)、多个微处理器、与DSP核心相关联的一个或多个微处理器、控制器、微控制器、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)电路、任何其它类型的集成电路(IC)、状态机、系统级芯片(SOC)等。
此外，为了进一步提高量子传感器01的测量精度，在本发明的一个实施方式中，如图4所示，该高电压电流互感器可以进一步包括聚磁铁芯16。该聚磁铁芯16可以为弧形，设置在该虚拟圆周上的每两个量子传感器01之间，用于汇聚磁场以提高量子传感器01的灵敏度，从而提高量子传感器01对磁场的测量精度。
通过上述技术方案，本发明提供的基于量子精密测量的高电压电流互感器通过采用量子检测的原理替代了传统电流测量装置测量电流的方式，解决了传统电流测量装置的测量精度受温度制约的技术问题，提高了测量电流的精度。
以上结合附图详细描述了本发明例的可选实施方式，但是，本发明实施方式并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施方式的技术构思范围内，可以对本发明实施方式的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施方式的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明实施方式对各种可能的组合方式不再另行说明。
本领域技术人员可以理解实现上述实施方式方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一个(可以是单片机，芯片等)或处理器(processor)执行本申请各个实施方式所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
此外，本发明实施方式的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明实施方式的思想，其同样应当视为本发明实施方式所公开的内容。
Claims (10)
1.一种基于量子精密测量的高电压电流互感器，其特征在于，所述高电压电流互感器包括：
多个量子传感器，用于测量被测载流导体周围的磁场强度，所述量子传感器的数量为4的倍数，均布于以所述载流导体的中心轴为圆心、预定长度为半径的虚拟圆周上；
绝缘腔，设置于所述载流导体和所述量子传感器之间，填充有用于避免电容效应的绝缘气体；
量子检测系统，分别通过输入线、输出线与每个所述量子传感器连接，用于通过所述量子传感器获取所述载流导体周围的磁场强度，并根据所述磁场强度计算所述载流导体的电流；
套管绝缘层，用于支撑和保护所述输入线、所述输出线，所述套管绝缘层和所述输入线、所述输出线之间设置有所述绝缘腔。
2.根据权利要求1所述的高电压电流互感器，其特征在于，所述量子传感器包括微波天线和NV色心元件；
所述高电压电流互感器进一步包括激光发生器，所述激光发生器用于向所述NV色心元件发射激光信号；
所述微波天线用于向所述NV色心元件发射微波信号；所述NV色心元件用于在接收到所述激光信号及微波信号的情况下，根据周围的磁场强度生成反馈信号；
所述量子检测系统进一步与所述微波天线、所述激光发生器连接，用于控制所述微波天线、所述激光发生器的工作，并通过所述反馈信号计算所述电流。
3.根据权利要求2所述的高电压电流互感器，其特征在于，所述输入线包括：
连接在所述微波天线和所述量子检测系统之间、用于传输电信号的第一线路；
连接在所述激光发生器和所述NV色心元件之间、用于传输所述激光信号的第二线路。
4.根据权利要求3所述的高电压电流互感器，其特征在于，所述第一线路与所述NV色心元件之间设置有第一透镜组，所述第一透镜组用于对所述激光信号进行汇聚处理。
5.根据其权利要求3所述的高电压电流互感器，其特征在于，所述第二线路与所述NV色心元件之间设置第二透镜组和光电转换器，所述第二透镜组用于汇聚所述NV色心元件的反馈信号，所述光电转换器用于将所述反馈信号从光信号转换为电信号。
6.根据权利要求1所述的高电压电流互感器，其特征在于，所述高电压电流互感器进一步包括：
设置在所述套管绝缘层外部的绝缘子，所述绝缘子的外表面包括多个突尖端突起。
7.根据权利要求1所述的高电压电流互感器，其特征在于，所述高电压电流互感器进一步包括：
设置于所述虚拟圆周外缘的磁屏蔽层。
8.根据权利要求7所述的高电压电流互感器，其特征在于，所述高电压电流互感器进一步包括：
设置于所述磁屏蔽层外缘的外壳。
9.根据权利要求1所述的高电压电流互感器，其特征在于，所述量子检测系统进一步用于根据公式(1)计算所述电流，
其中，为每个量子传感器测量的磁场强度的矢量，μ0为磁导率，I为所述电流，为电流的方向，为所述虚拟圆周的半径的矢量，r为所述虚拟圆周的半径。
10.根据权利要求1所述的高电压电流互感器，其特征在于，所述高电压电流互感器进一步包括聚磁铁芯，所述聚磁铁芯为弧形，设置在所述虚拟圆周上的每两个所述量子传感器之间，用于汇聚磁场以提高所述量子传感器的测量精度。
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