淺談太赫茲技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用前景

桂建廷 王運柯 王 玨 徐 濤

河南南陽供電公司 河南 南陽 473000

1 太赫茲波簡介

太赫茲（THz）波是指頻率在 0.1～10THz（波長為3000～30um）范圍內(nèi)的電磁波，在長波段與毫米波相重合，在短波段與紅外光相重合，是宏觀經(jīng)典理論向微觀量子理論的過渡區(qū)，也是電子學(xué)向光子學(xué)的過渡區(qū)，稱為電磁波譜的 “太赫茲空隙（Tnzgap）”。

與其他射線相比，太赫茲波的頻率范圍處于電子學(xué)和光子學(xué)的交叉區(qū)域，性質(zhì)表現(xiàn)出一系列不同于其它電磁輻射的特殊性，其突出的特點在于：

1）極強的穿透能力

太赫茲射線能以很小的衰減穿透如陶瓷、脂肪、碳板、布料、塑料等物質(zhì)，還可無損穿透墻壁、沙塵煙霧，使其能在某些特殊領(lǐng)域發(fā)揮作用。

2）探測安全性高

太赫茲射線不同于X射線，它是一種不電離的射線，具有較低的光子能量。1THz頻率的光子能量只有4meV，因此不會如X射線（keV量級）那樣在生物組織中產(chǎn)生有害的光致電離，也不容易破壞被檢測物質(zhì)。如果用太赫茲檢測物質(zhì)，就可以發(fā)現(xiàn)內(nèi)部瑕疵而又不損害該物質(zhì)。

3）良好的物質(zhì)識別能力

太赫茲射線單個脈沖的頻帶可以覆蓋從GHz直至幾十THz的范圍，許多生物大分子的振動和轉(zhuǎn)動能級，電介質(zhì)、半導(dǎo)體材料、超導(dǎo)材料、薄膜材料等的聲子振動能級落在其波段范圍。由于每種材料的太赫茲頻譜特征是不同的，因此只要建立了這些物質(zhì)的太赫茲頻譜特征數(shù)據(jù)庫，就可以采取“指紋”識別的方法來對物質(zhì)進(jìn)行檢測。

4）強大的成像能力

通過采集太赫茲波反射波并利用成像系統(tǒng)，對樣品振幅或相位信息進(jìn)行處理和分析，就可以得到樣品的THz圖像。太赫茲波成像的顯著特點是信息量大，可準(zhǔn)確顯示物質(zhì)的內(nèi)外部信息，目前太赫茲顯微成像的分辨率已達(dá)到幾十微米。

5）抗背景噪聲干擾能力強

THz脈沖的典型脈寬在皮秒量級，不但能夠方便地進(jìn)行時間分辨的研究，而且利用取樣測量技術(shù)，可以有效地抑制背景輻射噪聲的干擾。目前，脈沖THz輻射通常只有較低的THz射線平均功率，但是由于THz脈沖有很高的峰值功率，而且采用相干探測技術(shù)獲得的是THz脈沖的實時功率而不是平均功率，因此有很高的信噪比。目前，THz輻射強度測量的信噪比可大于10倍以上，在時域光譜系統(tǒng)中的信噪比可達(dá)105或更高。

6）大容量、高保密的寬帶信息載體

太赫茲波方向性好，散射小、頻帶寬、測量信噪比高，適合于大容量與高保密的數(shù)據(jù)傳輸，而且太赫茲波處于高載波頻率范圍，是目前手機通信頻率的1000倍左右，可提供10OB／s的無線傳輸速率。利用太赫茲波進(jìn)行無線電通信，可以極大地增寬無線電通信網(wǎng)絡(luò)的頻帶，使無線移動高速信息網(wǎng)絡(luò)成為現(xiàn)實。

基于以上特點，太赫茲技術(shù)得到各國政府及研究機構(gòu)的高度重視，成為當(dāng)前電磁波研究的前沿和熱門。2004年，美國政府將太赫茲科技評為“改變未來世界的十大技術(shù)”之四，2005年，日本將太赫茲技術(shù)列為“國家支柱十大重點戰(zhàn)略目標(biāo)”之首，舉全國之力進(jìn)行研發(fā)。我國政府也在2005年11月專門召開了“香山科技會議”，邀請國內(nèi)多位在太赫茲研究領(lǐng)域有影響的院士專門討論我國太赫茲事業(yè)的發(fā)展方向，并制定了我國太赫茲技術(shù)的發(fā)展規(guī)劃。

2 太赫茲技術(shù)在電力系統(tǒng)的應(yīng)用前景

當(dāng)前，太赫茲技術(shù)已經(jīng)廣泛運用在物理學(xué)、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、天文學(xué)、材料科學(xué)和環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域，其廣袤的科學(xué)前景為世界所公認(rèn)。電力系統(tǒng)作為技術(shù)密集型企業(yè)，太赫茲技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用前景同樣令人矚目。

1）地下電纜故障的檢測

隨著時代的發(fā)展，電纜的應(yīng)用日益廣泛，全面替代架空線路已成為城市配電網(wǎng)建設(shè)的必然趨勢。但由于電纜多埋于地下，一旦發(fā)生故障，尋找起來十分困難。目前，在地下電纜故障點的檢測中主要采取測量雙端電氣信號進(jìn)行故障定位，但由于實際情況的復(fù)雜性，電纜故障定位的精度最多達(dá)到十米級，只能在測算出大致區(qū)域后采取全面挖掘的方式查找，往往費時費力，影響人們?nèi)粘Ｉ畈⒃斐删薮蟮慕?jīng)濟損失。因此，如何準(zhǔn)確、迅速、經(jīng)濟地找出故障點，對于供電企業(yè)而言尤為重要。

太赫茲探測器可以很好的解決這個問題。由于非金屬材料對THz射線的吸收較小，因此其輻射能以很小的衰減穿透諸如陶瓷、碳板、布料、塑料、沙塵等物質(zhì)，甚至可無損穿透墻壁、干燥土層等，如果能夠利用太赫茲技術(shù)，研發(fā)出一種便攜式的探測儀，就可以方便的查找電纜表面的破損點，甚至可以利用太赫茲波對溫度、磁場的敏感性查找非表面破損的故障點。

2）電力元器件質(zhì)量檢測

電力系統(tǒng)是一個由上萬個元器件通過復(fù)雜聯(lián)系構(gòu)成的系統(tǒng)。如果任一個元器件出現(xiàn)問題，都會影響整個系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定。日常工作中，電力工人需要經(jīng)常性地對線路進(jìn)行巡檢，而在建設(shè)過程中，也需要耗費大量人力物力來檢測元器件的完好。如果使用太赫茲探測器完成維護(hù)或者測試中的器件檢測工作，不僅可以節(jié)省人力物力，而且可以提高檢測準(zhǔn)確度。

太赫茲波具有低能性，不會損壞被檢測元器件?？梢詫崿F(xiàn)無損檢測。利用太赫茲檢測器。檢測人員可以得到非金屬表面被檢測元器件的完整信息。包括厚度、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、密度分布、內(nèi)壁情況等，準(zhǔn)確掌握了器件情況，檢測人員就可以在發(fā)現(xiàn)問題時采取正確的補救措施。同時，太赫茲波對人體的損害幾乎為零，因此用太赫茲探測器進(jìn)行電器設(shè)備質(zhì)量檢測，兼顧了安全性和準(zhǔn)確性兩項要求。

3）反竊電查處

當(dāng)前，國內(nèi)各地竊電現(xiàn)象比較普遍，而且日益呈現(xiàn)高科技化、網(wǎng)絡(luò)化趨勢，給供電企業(yè)帶來巨大經(jīng)濟損失。面對竊電行為的嚴(yán)重危害，供電企業(yè)在維護(hù)自身合法權(quán)益方面受到種種限制而顯得辦法不多。首先，查處竊電必須遵循嚴(yán)格的法定程序，這樣就給竊電者留有一定的時間、空間銷毀證據(jù)，使得竊電行為難以發(fā)現(xiàn)、發(fā)現(xiàn)后難以取證；其次，在未掌握十分確鑿證據(jù)的情況下，供電企業(yè)考慮社會影響，不能貿(mào)然進(jìn)入有竊電嫌疑的客戶室內(nèi)進(jìn)行檢查，導(dǎo)致一些竊電行為得不到及時懲處；再次，竊電現(xiàn)場查處時，竊電分子往往會采取暴力手段抗拒執(zhí)法，給工作人員帶來極大的人身危險性。最后，反竊電主要依靠工作人員的經(jīng)驗，現(xiàn)場技術(shù)支持能力不足，導(dǎo)致一些較為隱蔽的竊電手段難以發(fā)現(xiàn)。針對上述問題，研制竊電遙測系統(tǒng)，利用現(xiàn)代化手段，實現(xiàn)遠(yuǎn)距離線損監(jiān)測、竊電測定及證據(jù)取證功能，是查處竊電行為的有效措施。

當(dāng)然，受無法穿透金屬表層的局限，利用太赫茲技術(shù)對金屬表箱內(nèi)部接線進(jìn)行排查尚無法實現(xiàn)，但如果供電企業(yè)轉(zhuǎn)變思維，逐步把金屬表殼換成塑鋼或其他非金屬材料，則不僅可以降低成本，提高安全性，同時也為遙測反竊電技術(shù)的運用奠定了基礎(chǔ)。另外，利用太赫茲波對塑料材質(zhì)的良好穿透性，實現(xiàn)電能表現(xiàn)場無損檢驗從目前來說已經(jīng)不存在技術(shù)瓶頸。

4）電網(wǎng)通訊

隨著電網(wǎng)朝著智能化方向發(fā)展，要求傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量越來越大，如何以較低的成本和周期建立起能夠適應(yīng)復(fù)雜電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和需求特點的，實用、可靠、實時、覆蓋面廣、靈活性好的電網(wǎng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸系統(tǒng)，滿足電網(wǎng)各方面對信息傳輸?shù)男枨螅枪╇娖髽I(yè)需要考慮的問題，借助太赫茲技術(shù)，布設(shè)短程地面無線局域網(wǎng)是值得考慮的思路之一。

太赫茲無線網(wǎng)絡(luò)布設(shè)簡單，耗時少，不易損壞，可傳輸相當(dāng)于有線網(wǎng)絡(luò)的信息量，即使在露天場地，遇到沙塵、煙霧等惡劣環(huán)境，依然可以有效保證通信質(zhì)量，實現(xiàn)全天候工作。同時，太赫茲波的寬帶性有效的擴展了電磁頻譜的范圍，大大增加了可用通信頻率的選擇機會。

作為一門具有廣泛應(yīng)用前景的新興學(xué)科，太赫茲技術(shù)在電力系統(tǒng)中具有十分廣闊的應(yīng)用前景，本文僅就其中的幾個方面進(jìn)行了初步的探討，希望起到拋磚引玉的作用。

［1］劉盛綱，鐘任斌.太赫茲科學(xué)技術(shù)及其應(yīng)用的新發(fā)展［J］.電子科技大學(xué)學(xué)報，2009，（05）.

［2］陸益敏，汪家春，時家明，林志丹.太赫茲技術(shù)在煙塵與風(fēng)沙探測中的應(yīng)用［J］.紅外與激光工程，2010，（03） .

［3］張雯，雷銀照.太赫茲無損檢測的進(jìn)展［J］.儀器儀表學(xué)報，2008，（07）.