一枚量子传感器如何让特高压电网“看得更清”

图为量子电流传感器在换流站挂网安装现场。 受访公司/供图

证券时报记者 康殷

在云南大理新松换流站，一台量子电流传感器正昼夜采集着±800千伏特高压直流输电系统的电流数据。它的量产产品测量精度可达满量程（FS）的万分之六，而现役光纤电流互感器的精度约为千分之二。精度大幅提升背后，意味着对电网运行状态的感知更精准，也更及时。

这台设备出自南网数字旗下南方电网传感科技（广东）有限公司（以下简称“南网传感公司”）。从铺满光学平台的实验装置，到厘米级探头，再到批量生产的电网装备，研发团队要攻克的，不只是“测得准”这道关，还有一道更难的考题：在复杂工业环境中，如何长期保持可靠运行？

如今，从特高压换流站到核电站安全壳，从电流测量到气象、地质灾害监测，一批批传感设备正深入能源基础设施的“神经末梢”。它们承担的任务各不相同，却指向同一个目标：让设备状态可感知，让运行控制有依据，让风险处置更及时。

给特高压电流换一把“尺子”

“对于大电网来讲，精度的追求是无止境的。”南网传感公司董事长赵继光说，测量的核心，是把物理世界刻画得更准确。智能电网要实现精细化控制，首先需要知道设备真正发生了什么。

电流测量，是其中一项基础工作。现役光纤电流互感器基于法拉第磁光效应工作：电流产生磁场，磁场使光在光纤中传播时的偏振状态发生变化，再据此反演电流。但在长期户外运行中，温度变化、机械振动和光纤老化等因素，都会影响测量精度。

特高压输电和新型电力系统建设的推进，电能计量、控制保护对量测精度和长期稳定性提出了更高要求。继续优化原有方案之外，能否换一种测量方式？

2023年12月，国家重点研发计划“宽温域高精度量子电流敏感元件及传感器”项目启动实施，由南网数字牵头，10家单位共同承担。“电流测量是直流控制保护的‘眼睛’，看得准、看得稳，控制才能精准，保护才能正确。”项目负责人、南方电网超高压输电公司总经理高锡明说。

研发团队把目光投向了金刚石。

这里的金刚石，不用于切削，也不作为饰品，而是利用其内部一种被称为“NV色心”的原子缺陷结构——一个氮原子旁边伴随一个空位。用绿光激发，再通过微波调控，研究人员可以从荧光信号变化中读取磁场信息，进而反演电流。与传统光纤方案不同，这条路线把金刚石内部的量子自旋态作为感知工具。

选定路线，既要看技术指标，也要考虑工业部署和供应链条件。团队曾比较多种量子测量方案，最终选择金刚石路线，既考虑了电网应用环境，也考虑了国内人造金刚石产业的配套基础。

不过，能够生产金刚石，不等于能够直接做出满足高精度量子测量要求的材料。

赵继光表示，难点集中在高纯度单晶金刚石可控生长、NV色心浓度控制，以及辐照和退火工艺等环节。色心浓度太低，信号偏弱；浓度太高，又会影响相关量子特性。材料的生长与加工，需要在多个指标之间找到平衡。

为此，南网传感公司联合郑州大学和国内材料企业，从生长设备、供气系统到色心制备逐项攻关。在南网数字负责人看来，材料攻关的意义不止于一款传感器。“高品质的NV色心金刚石过去主要依赖进口，只有把材料做稳定并国产化，量子传感产品的成本和供应才有保障。”

核心材料实现国产化，为后续量产打开了空间。但一片能够感知磁场的金刚石，距离一台能够长期挂网运行的设备，还有很长一段路。

把实验室样品变成量产产品

高锡明表示，项目启动之初，团队就确立清晰目标：不局限于攻克量子传感领域关键技术难题，更着力推动量子传感技术走向量产落地，加快量子科技在电力行业的产业化、规模化应用，为新型电力系统建设注入新质动能。

“怎么把这个光学平台缩成一个小小的探头”，是项目研发中遇到的突出难题。南网传感公司技术专家张佳明说，实验室里可以摊开布置金刚石、激光器、光电探测器、光学镜片、微波源、微波天线等模块，到了换流站，需要集成到一个紧凑、可靠的装置中。

小型化，不是简单地压缩尺寸。

探头内部，激光、微波和荧光收集光路相互耦合，任何一处结构失配，都可能影响信号强度、噪声和制造难度。张佳明表示，团队经过多轮迭代，例如，把早期门型微波天线改为螺旋线型方案，不再需要对金刚石进行微加工蚀刻，普通PCB工艺即可实现，同时在敏感区域形成更均匀的微波场。

这类改进，既服务于性能，也服务于制造。技术上能够实现的方案，未必适合批量生产；指标、可靠性与成本，需要放在一起考量。

南网传感公司为此启动内部代号“淬火”的项目，补充光学、射频、天线、结构设计等工程研发力量，推动科研样机向工业产品转化。科研验证可以聚焦某项指标，电网装备则必须把长期可靠运行放在前面。

南网传感公司量子传感技术部副总经理吕前程介绍，2025年1月，这款±800千伏特高压直流量子电流传感器完成新产品技术鉴定；同年4月，科研样机在昆柳龙直流工程柳州换流站挂网验证。进入现场后，一些在实验室里不起眼的细节，成为必须解决的问题。

激光器如何保持长期稳定？直流场景下，高压侧装置如何持续取能？高海拔低气压环境中，散热、防水和电晕控制如何兼顾？为此，团队逐项调整：信号干扰抑制、冗余激光取能、差分荧光信号收集、外壳防电晕设计……这些改动不一定直接体现为精度数字的提升，却决定了设备能否在现场稳定运行。

2026年6月8日，工程化产品在新东直流工程±800千伏新松换流站完成挂网安装。设备实时采集管母电流数据，经录波仪记录，与现场已有测量数据开展多通道比对。截至9月，设备已连续稳定运行超过2000小时，未发生异常情况。

在高锡明看来，挂网运行是这款设备从样机走向电网批量装备必须过的一关：“实验室里的指标再好，也要经过现场长周期运行的检验，运维人员才会放心使用。”超高压公司依托新松等换流站继续开展5000小时、1万小时的长周期运行跟踪，并与现役光纤电流互感器持续比对，为产品改进和规模化应用提供依据。

生产和验证体系也同步补齐。南网传感公司建设了超过1万平方米的智能传感研发生产基地，配备CNAS检测实验室和中试线，并在高温、高湿、高盐、高海拔、极低温等环境下开展可靠性考核。2026年9月，产品正式实现量产，200套产品已完成生产，将陆续在云南、广西、贵州等地安装投运。

从材料、器件到整机，再到挂网场景和运行数据反馈，一条“产学研用”协同链逐步形成。但量产并非终点。南网传感公司相关负责人表示，团队在实验室环境下已验证万分之一精度，要把这一指标带到全工况，还需继续突破材料、光源噪声、微波场均匀性，以及温度和应力补偿等问题。

南网数字负责人表示，量子精密测量是量子科技中较早具备产业化条件的领域，也是南网数字布局未来产业的重点方向之一。“电网测量场景多、要求严，运行效果又能用数据检验，在这里打磨出来的产品，才有向更多场景推广的基础。”

从精准测量走向协同感知

把视线从一座换流站移开，能源基础设施对传感技术的需求，正在呈现另一幅图景：既需要关键参数测得更准，也需要更多设备和环境状态被持续感知。

应用对象不同，传感设备承担的角色却有相通之处：将不易直接观察的设备状态转化为可记录、可分析的信息。它们不是替代所有人工判断，而是为运行和检修提供更充分的依据。

在电网领域，感知对象也从电流延伸至设备状态和外部环境。南网数字介绍，直流输电多物理量集成传感器、变压器多物理量集成传感器、电力气象多物理量集成传感器等产品已开展规模化推广。输电多物理量集成传感器还在中老500千伏联网工程老挝段、埃塞俄比亚挂网应用。

如果说量子电流传感器侧重把一个关键参数测得更准，多物理量集成传感则侧重把设备及其所处环境看得更完整。在“六张网”协同建设中，这些分散的感知节点，开始与通信、计算和跨行业应用相连接。

深圳光明区大牛牯山，一座电力防灾减灾综合监测塔，将避雷针、气象传感器、高清摄像头和地质灾害监测设备集中布置，并为通信基站等设备预留搭载空间。同一处高点资源，既服务输电通道防灾，也为通信覆盖、城市监测提供支撑。

前端设备采集信息，边缘网关就地分析，通信网络负责回传，相关平台据此开展研判。从一台设备独立监测，到多类数据融合应用，智能电网与新一代通信网等基础设施的协同，有了更具体的落点。

由此看，一枚传感器的价值，不只取决于实验室里的最高指标，还取决于能否稳定制造、长期运行，并融入更大的应用体系。从万分之六的电流精度测量，到核电站的状态监测，再到一座塔承载的多网感知，先进传感技术走向产业深处，仍需在精度、可靠性与成本之间持续求解。

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