浅谈太赫兹技术在电力系统中的应用前景

桂建廷 王运柯 王 珏 徐 涛

河南南阳供电公司 河南 南阳 473000

1 太赫兹波简介

太赫兹（THz）波是指频率在 0.1～10THz（波长为3000～30um）范围内的电磁波，在长波段与毫米波相重合，在短波段与红外光相重合，是宏观经典理论向微观量子理论的过渡区，也是电子学向光子学的过渡区，称为电磁波谱的 “太赫兹空隙（Tnzgap）”。

与其他射线相比，太赫兹波的频率范围处于电子学和光子学的交叉区域，性质表现出一系列不同于其它电磁辐射的特殊性，其突出的特点在于：

1）极强的穿透能力

太赫兹射线能以很小的衰减穿透如陶瓷、脂肪、碳板、布料、塑料等物质，还可无损穿透墙壁、沙尘烟雾，使其能在某些特殊领域发挥作用。

2）探测安全性高

太赫兹射线不同于X射线，它是一种不电离的射线，具有较低的光子能量。1THz频率的光子能量只有4meV，因此不会如X射线（keV量级）那样在生物组织中产生有害的光致电离，也不容易破坏被检测物质。如果用太赫兹检测物质，就可以发现内部瑕疵而又不损害该物质。

3）良好的物质识别能力

太赫兹射线单个脉冲的频带可以覆盖从GHz直至几十THz的范围，许多生物大分子的振动和转动能级，电介质、半导体材料、超导材料、薄膜材料等的声子振动能级落在其波段范围。由于每种材料的太赫兹频谱特征是不同的，因此只要建立了这些物质的太赫兹频谱特征数据库，就可以采取“指纹”识别的方法来对物质进行检测。

4）强大的成像能力

通过采集太赫兹波反射波并利用成像系统，对样品振幅或相位信息进行处理和分析，就可以得到样品的THz图像。太赫兹波成像的显著特点是信息量大，可准确显示物质的内外部信息，目前太赫兹显微成像的分辨率已达到几十微米。

5）抗背景噪声干扰能力强

THz脉冲的典型脉宽在皮秒量级，不但能够方便地进行时间分辨的研究，而且利用取样测量技术，可以有效地抑制背景辐射噪声的干扰。目前，脉冲THz辐射通常只有较低的THz射线平均功率，但是由于THz脉冲有很高的峰值功率，而且采用相干探测技术获得的是THz脉冲的实时功率而不是平均功率，因此有很高的信噪比。目前，THz辐射强度测量的信噪比可大于10倍以上，在时域光谱系统中的信噪比可达105或更高。

6）大容量、高保密的宽带信息载体

太赫兹波方向性好，散射小、频带宽、测量信噪比高，适合于大容量与高保密的数据传输，而且太赫兹波处于高载波频率范围，是目前手机通信频率的1000倍左右，可提供10OB／s的无线传输速率。利用太赫兹波进行无线电通信，可以极大地增宽无线电通信网络的频带，使无线移动高速信息网络成为现实。

基于以上特点，太赫兹技术得到各国政府及研究机构的高度重视，成为当前电磁波研究的前沿和热门。2004年，美国政府将太赫兹科技评为“改变未来世界的十大技术”之四，2005年，日本将太赫兹技术列为“国家支柱十大重点战略目标”之首，举全国之力进行研发。我国政府也在2005年11月专门召开了“香山科技会议”，邀请国内多位在太赫兹研究领域有影响的院士专门讨论我国太赫兹事业的发展方向，并制定了我国太赫兹技术的发展规划。

2 太赫兹技术在电力系统的应用前景

当前，太赫兹技术已经广泛运用在物理学、化学、生物医学、天文学、材料科学和环境科学等领域，其广袤的科学前景为世界所公认。电力系统作为技术密集型企业，太赫兹技术在电力系统中的应用前景同样令人瞩目。

1）地下电缆故障的检测

随着时代的发展，电缆的应用日益广泛，全面替代架空线路已成为城市配电网建设的必然趋势。但由于电缆多埋于地下，一旦发生故障，寻找起来十分困难。目前，在地下电缆故障点的检测中主要采取测量双端电气信号进行故障定位，但由于实际情况的复杂性，电缆故障定位的精度最多达到十米级，只能在测算出大致区域后采取全面挖掘的方式查找，往往费时费力，影响人们日常生活并造成巨大的经济损失。因此，如何准确、迅速、经济地找出故障点，对于供电企业而言尤为重要。

太赫兹探测器可以很好的解决这个问题。由于非金属材料对THz射线的吸收较小，因此其辐射能以很小的衰减穿透诸如陶瓷、碳板、布料、塑料、沙尘等物质，甚至可无损穿透墙壁、干燥土层等，如果能够利用太赫兹技术，研发出一种便携式的探测仪，就可以方便的查找电缆表面的破损点，甚至可以利用太赫兹波对温度、磁场的敏感性查找非表面破损的故障点。

2）电力元器件质量检测

电力系统是一个由上万个元器件通过复杂联系构成的系统。如果任一个元器件出现问题，都会影响整个系统的安全与稳定。日常工作中，电力工人需要经常性地对线路进行巡检，而在建设过程中，也需要耗费大量人力物力来检测元器件的完好。如果使用太赫兹探测器完成维护或者测试中的器件检测工作，不仅可以节省人力物力，而且可以提高检测准确度。

太赫兹波具有低能性，不会损坏被检测元器件。可以实现无损检测。利用太赫兹检测器。检测人员可以得到非金属表面被检测元器件的完整信息。包括厚度、内部结构、密度分布、内壁情况等，准确掌握了器件情况，检测人员就可以在发现问题时采取正确的补救措施。同时，太赫兹波对人体的损害几乎为零，因此用太赫兹探测器进行电器设备质量检测，兼顾了安全性和准确性两项要求。

3）反窃电查处

当前，国内各地窃电现象比较普遍，而且日益呈现高科技化、网络化趋势，给供电企业带来巨大经济损失。面对窃电行为的严重危害，供电企业在维护自身合法权益方面受到种种限制而显得办法不多。首先，查处窃电必须遵循严格的法定程序，这样就给窃电者留有一定的时间、空间销毁证据，使得窃电行为难以发现、发现后难以取证；其次，在未掌握十分确凿证据的情况下，供电企业考虑社会影响，不能贸然进入有窃电嫌疑的客户室内进行检查，导致一些窃电行为得不到及时惩处；再次，窃电现场查处时，窃电分子往往会采取暴力手段抗拒执法，给工作人员带来极大的人身危险性。最后，反窃电主要依靠工作人员的经验，现场技术支持能力不足，导致一些较为隐蔽的窃电手段难以发现。针对上述问题，研制窃电遥测系统，利用现代化手段，实现远距离线损监测、窃电测定及证据取证功能，是查处窃电行为的有效措施。

当然，受无法穿透金属表层的局限，利用太赫兹技术对金属表箱内部接线进行排查尚无法实现，但如果供电企业转变思维，逐步把金属表壳换成塑钢或其他非金属材料，则不仅可以降低成本，提高安全性，同时也为遥测反窃电技术的运用奠定了基础。另外，利用太赫兹波对塑料材质的良好穿透性，实现电能表现场无损检验从目前来说已经不存在技术瓶颈。

4）电网通讯

随着电网朝着智能化方向发展，要求传输的数据量越来越大，如何以较低的成本和周期建立起能够适应复杂电网结构和需求特点的，实用、可靠、实时、覆盖面广、灵活性好的电网数据业务传输系统，满足电网各方面对信息传输的需求，是供电企业需要考虑的问题，借助太赫兹技术，布设短程地面无线局域网是值得考虑的思路之一。

太赫兹无线网络布设简单，耗时少，不易损坏，可传输相当于有线网络的信息量，即使在露天场地，遇到沙尘、烟雾等恶劣环境，依然可以有效保证通信质量，实现全天候工作。同时，太赫兹波的宽带性有效的扩展了电磁频谱的范围，大大增加了可用通信频率的选择机会。

作为一门具有广泛应用前景的新兴学科，太赫兹技术在电力系统中具有十分广阔的应用前景，本文仅就其中的几个方面进行了初步的探讨，希望起到抛砖引玉的作用。

［1］刘盛纲，钟任斌.太赫兹科学技术及其应用的新发展［J］.电子科技大学学报，2009，（05）.

［2］陆益敏，汪家春，时家明，林志丹.太赫兹技术在烟尘与风沙探测中的应用［J］.红外与激光工程，2010，（03） .

［3］张雯，雷银照.太赫兹无损检测的进展［J］.仪器仪表学报，2008，（07）.