电力设备长期运行过程中，绝缘缺陷、接触异常等问题可能引发局部放电或故障电弧，并伴随射频电磁辐射。这些电磁信号能够反映设备的异常状态，对其进行准确探测，可以为电力设备状态监测和故障诊断提供重要依据。

里德堡原子凭借对射频电场的高灵敏性，以及非金属、非接触和光学读出的测量特点，正在从标准微波电场测量逐步走向局部放电、电弧等电力应用场景，为电力设备异常放电信号探测提供新的技术手段。

里德堡原子在国家电网相关场景中的应用也意味着，里德堡原子传感正在从“能否测到微弱电磁场”的原理验证，进一步走向“能否解决具体测量问题”的应用阶段。

局部放电测量：寻找绝缘劣化的早期信号

局部放电是高压设备绝缘缺陷和绝缘劣化过程中非常重要的表征之一。它是发生在绝缘结构局部区域、仅部分桥接导体间绝缘的电气放电，并未形成贯穿整个绝缘系统的放电通道。

在变压器、气体绝缘开关设备、电缆等高压设备长期运行过程中，绝缘材料内部的微小缺陷可能造成局部电场集中，从而诱发局部放电。一次局放通常不会直接造成设备击穿，但反复发生会不断影响绝缘状态，因此，局放信号常被用于发现绝缘缺陷并判断设备是否出现早期劣化。

局部放电通常表现为快速的瞬态脉冲，其辐射电磁信号具有宽频谱特征，其频谱可以从 MHz 延伸到 GHz。不同类型的局放具有不同的频谱和时域特征，准确获取这些电磁信号，是进一步识别局放类型和判断绝缘状态的重要基础。

传统检测通常利用脉冲电流或特高频传感器获取局放信号，而里德堡原子则提供了一种新的测量方式：利用原子量子态对射频电场的响应，感知局放产生的电磁场，并进一步提取不同放电类型的特征。

局部放电 → 电磁信号 → 里德堡原子→ 光学读出 → 特征提取 → 局放识别

局放电场作用于原子后，会引起里德堡能级的交流 Stark 位移，并进一步改变 电磁诱导透明光谱响应，从而把局放的电磁信息转换为可以读取的光学信号。

目前，利用里德堡原子获取局部放电信号已经得到实验验证，而且研究正在从单纯的“检测到局放”进一步走向“识别不同类型的局放”。不同局放产生的瞬态信号具有不同特征，原子获得的波形可以进一步形成具有区分度的信号“指纹”。

进一步结合人工智能，可以从原子获取的信号中提取不同局放类型的特征。通过将里德堡原子传感与一维 ResNet 相结合，在信号明显衰减、噪声增加的情况下，仍能够保持较高的局放识别准确率，并进一步实现了局放预警的模拟验证。

图1：利用人工智能实现早期预警，图片来源Opt. Express 34, 6426-6437 (2026)。

电弧信号测量：感知电力设备中的异常放电

电弧是电力系统中常见的一类异常放电。当局部电场足够强时，气体可能被电离并形成等离子体放电通道，使电流能够持续通过，同时伴随发热、强光以及电磁辐射。

在实际电力设备中，接触不良、线路损伤或绝缘异常等情况都可能引发故障电弧。局部放电和电弧并不是简单的轻重关系：在部分绝缘劣化过程中，局部放电可能先于绝缘击穿和电弧出现，而接触不良、导体间隙等故障也可能直接形成电弧。故障电弧通常伴随更显著的热效应和设备损伤风险，如果不能及时发现，持续燃弧可能进一步造成器件烧蚀甚至带来火灾风险。

如何及时发现电弧信号，是电力设备安全监测中的重要问题。

传统检测通常从电流、电压、光学或射频信号中寻找电弧特征，而里德堡原子则直接测量电弧产生的射频电磁场。

电弧放电 → 电磁信号 → 里德堡原子 → 光学读出 → 电弧信号识别

里德堡原子能够感知电弧产生的射频电场：电场会引起原子量子态响应变化，再通过光学读出获得电弧信号。

目前，利用里德堡原子测量电弧产生的射频电磁信号已经得到实验验证，说明原子传感可以从标准微波电场测量进一步拓展到真实电弧信号探测。

图2：利用里德堡原子系统实现电弧信号测量，图片来源Phys. Rev. Applied 24, 014006 (2025)。

里德堡原子在电网中的应用特点与发展阶段

无论是局部放电还是电弧信号，里德堡原子的核心都是利用原子量子态对射频电场的响应，获取放电过程中产生的电磁信息。与传统金属电磁传感器相比，里德堡原子以原子本身作为电场敏感单元，具有非金属化的潜力，并通过光学方式完成信号读出，有利于减小金属探头对待测电磁场的扰动。此外，原子电场测量还具有自校准、原子基准可溯源和宽工作频率可调等特点，为复杂电磁环境下电力信号测量提供了新的技术路径。

这些特点使里德堡原子能够面向不同类型的电力异常放电信号开展测量。对于局部放电，现有研究主要关注宽带瞬态信号的获取、不同局放类型的特征提取与识别，并进一步探索绝缘缺陷的早期预警；对于电弧，现有研究则主要验证了电弧射频信号的频谱测量及故障检测能力。两类放电的产生机制和信号特征不同，但其产生的射频电场都可以作用于里德堡原子，并通过量子态变化转化为可读取的光学信号。

更重要的是，相关研究已经不再停留在“原子能不能测到电场”层面。利用里德堡原子，不仅已经能够获取真实电弧产生的射频信号，也开始实现不同局部放电信号的识别。

这说明里德堡原子传感已经开始从“测得到”走向“解决具体问题”：原子获得的电磁信息正在被用于局放分类和电弧信号检测的能力，并为绝缘状态监测和异常预警提供了新的信息获取手段。

目前这些工作更多体现的是里德堡原子作为一种新型电场传感器的应用能力。实际系统仍需要天线、波导等结构提高信号与原子的耦合效率，原子本身的非金属、可溯源、宽频可调等优势还没有完全转化为整个电力检测系统的量子优势。

总结

局部放电和故障电弧是电力设备中两类具有不同物理机制的异常放电现象。局部放电通常发生在绝缘结构的局部区域，常用于表征绝缘缺陷和早期劣化；故障电弧则伴随可持续导电的等离子体通道形成，具有更显著的热效应和设备损伤风险。在部分绝缘劣化过程中，局部放电可能进一步发展至绝缘击穿并形成电弧，二者并不存在普遍的演化关系。但他们都会产生可被探测的射频电磁信号，为里德堡原子进入电力设备状态监测提供了实际的应用场景。

目前，里德堡原子已经从标准电磁场测量逐步拓展到真实电力信号探测，并进一步走向局放识别、电弧故障判断和状态预警等具体问题。这类工作的意义已经不只是证明“原子可以测电场”，而是开始验证“原子获得的信息能否真正用于解决电力系统中的实际问题”。

但与此同时，里德堡原子相对于成熟传统电磁传感技术的量子优势还没有在系统层面得到充分体现。下一阶段真正值得关注的，是如何把原子的宽频可调、可溯源测量、非金属敏感单元以及量子相干和多体响应等特点，进一步转化为稳定、可重复并具有系统级意义的性能优势。

当里德堡原子不仅能够完成电力信号的测量与识别，而且能够在某些关键指标上提供传统技术难以实现的能力时，才真正完成从“量子传感器用于实际场景”到“利用量子优势解决实际问题”的进一步跨越。利用里德堡原子探测技术，未来可能会减少电力异常信号的漏报或者误报概率。