從德克薩斯州冬季極寒天氣談美國電力系統(tǒng)

一、德克薩斯州冬季極寒天氣造成的災害

2021年2月10日至20日美國出現(xiàn)了罕見的極寒天氣，即罕見寒潮帶來的雨雪、冰凍天氣，也稱冬季風暴。它造成了德克薩斯州（以下簡稱“德州”）30年來最冷的天氣，最低氣溫達到了-18℃，約80%的地區(qū)被冰雪覆蓋。由于此次冬季風暴使風力發(fā)電、天然氣發(fā)電、太陽能發(fā)電設施凍結(jié)而導致發(fā)電系統(tǒng)出現(xiàn)故障，德州大片地區(qū)停電停水。隨著電力短缺的發(fā)生，人們也經(jīng)歷了生活用水、食物和供熱的短缺。

2023年初，德州中部又遭遇了冬季風暴。這次出現(xiàn)了嚴重的凍雨，以及降雪和雨夾雪，導致許多地區(qū)的凍雨至少達到了1.3cm，許多居民區(qū)停電，給居民的生活帶來諸多不便。

二、極寒天氣產(chǎn)生的原因

1、德州的氣候

德州在美國的位置，和我國廣東省相似，屬于南方地區(qū)。德州冬季氣候溫暖，但一般在一月份，也會有幾天最低氣溫達到0℃以下。雖然晚上氣溫可降至0℃以下，但白天氣溫會回升。德州大部分地區(qū)屬于溫帶或亞熱帶屬氣候，北部和南部冬季的平均氣溫分別是1.7℃和15.6℃，氣溫常年都在0℃以上。因此，德州冬季很少下雪。

2、極寒天氣是如何產(chǎn)生的

北美較大的山脈多為南北走向，比如，東部的阿巴拉契亞山脈和西部的落基山脈等，山脈之間是寬闊的平原，這種地勢難以抵御北極冷空氣長驅(qū)南下的侵襲。

2021年2月，極地冷旋渦南移，即北極氣團帶來的冷空氣不分區(qū)域地一路南下，直達美國德州，導致了極寒天氣。極地冷空氣直接影響氣溫，使冷渦中心的溫度非常低。而且它的冷渦相對獨立，導致冷旋渦移動速度很慢，所到之處持續(xù)降溫和降雪。

2023年初的極端天氣是因極冷氣旋引起，它主要由冷空氣與暖濕空氣相遇而形成，導致大氣壓力在24小時內(nèi)急劇下降，具有強大的爆發(fā)力和破壞力。當較強的冷空氣南下遇到暖濕氣流時，冷空氣由于密度大就插在暖空氣的下方，使近地層氣溫驟降到0℃以下，濕潤的暖空氣被抬升，形成云，繼續(xù)形成雨。當雨從空中落下時，因近地面的氣溫低于0°C，電線桿、樹木、植被及道路表面都會凍結(jié)上一層晶瑩透亮的薄冰，這種天氣現(xiàn)象稱為“凍雨”。極冷氣旋又伴有暴風雪、凍雨、洪災、山體滑坡等自然災害。

3、德州的電力系統(tǒng)

美國有三個主要的電網(wǎng)系統(tǒng)：東部、西部和德州。東部以煤炭和天然氣為主要的發(fā)電來源。西部以水電和太陽能為發(fā)電的來源。煤炭、天然氣、風力和太陽能發(fā)電是德州的主要發(fā)電來源。德州的電力系統(tǒng)相對獨立，由于地理環(huán)境優(yōu)越，大部分用電是由風力和太陽能發(fā)電，風力發(fā)電約占德州總發(fā)電量的四分之一。

溫帶和亞熱帶地區(qū)冬季氣候溫和，極少遇到極寒天氣，電力系統(tǒng)各種設施不會考慮極端天氣的影響，因此，德州城市基礎(chǔ)設施按照 50-100年一遇（極寒天氣）的標準設計。高壓線的材質(zhì)普通，電力系統(tǒng)冬季設計參數(shù)和標準都不高，電網(wǎng)抗寒能力不強，沒有考慮除冰設施，電力系統(tǒng)搶修隊伍不強大。

德州這次遭遇的極端天氣是“史無前例的”，的確是很難預料的天災。嚴寒天氣帶來的危害，超過了電力系統(tǒng)冬季設計參數(shù)，所以德州遭遇了大停電。這不完全是當?shù)仉娏Σ块T的責任，主要是德州電力及能源部門應對危機的能力不足。

4、極寒天氣對德州基礎(chǔ)設施的影響

寒冷地區(qū)的市政設施抗寒能力強、設計標準高、除冰能力強，再加上暴風雪通常伴隨著大風，雪一般不會聚集在高壓線上面，又因冬天氣溫很低，一般不會出現(xiàn)凍雨。

而德州屬于溫帶和亞熱帶地區(qū)，在冬季風暴期間，因為罕見寒潮帶來雨雪、冰凍天氣，甚至出現(xiàn)凍雨，暴風雪和凍雨形成的冰塊覆著積聚在輸電高壓線上，加大了高壓線的負擔，導致其下垂或被壓斷，甚至連高壓線鐵塔都被一起壓塌。在極寒天氣中，風力發(fā)電渦輪機葉片凍結(jié)，太陽能發(fā)電板被厚厚的積雪覆蓋，均無法正常發(fā)電，從而導致停電。煤炭和天然氣電廠的設備在極寒天氣中也遇到了技術(shù)問題。據(jù)統(tǒng)計，在2023年初冬季風暴期間，德州天然氣發(fā)電廠的停電率最高，占高峰期停電率的一半，約為25000 MW。由于電力系統(tǒng)受損和住宅供暖需求的激增，使電網(wǎng)負擔過重，德州造成了大范圍供電中斷。和暴風雪比起來，凍雨對高壓線的危害更大，給電力系統(tǒng)帶來的損害也更嚴重。

因氣溫極低水管爆裂，供水系統(tǒng)也受到破壞，德州接近一半人口面臨供水服務中斷帶來的缺水問題。

三、降低極寒天氣災害的措施

為了減少冬季風暴和凍雨對電力系統(tǒng)的影響，可以采取以下一些措施：

1、如果樹木離輸電高壓線太近，在極寒天氣時，冰雪、凍雨覆蓋在樹枝上，樹枝可能會被壓斷，從而刮到也覆蓋了冰雪的輸電高壓電纜，不堪重負的電纜就會受損導致停電。定期修剪或清除據(jù)電纜過近的樹木，有助于減少凍雨對電力供應的影響。

2、改造電力系統(tǒng)，更換更粗、更堅固的電纜，加固電網(wǎng)線路，使用加強桿、絕緣子，采用特高壓輸電線路，配置各類融除冰裝置及覆冰在線預警終端以抵抗極寒天氣時冰雪、凍雨的負荷。

3、定期維護電力系統(tǒng)可幫助在冬季風暴到來前查出和修復任何問題。為了減輕電力巡視人員的工作強度，可以使用無人機輔助巡視線路，無人機可以隨時發(fā)現(xiàn)高壓線路的問題，工作人員能及時更換磨損和損壞的部件，并且緊固任何松動的連接。

4、如遇極寒天氣，電力部門可以用無人機噴出的火焰清理掛在高壓線上的冰雪。企業(yè)或居民要配備發(fā)電機或充電電池等備用電源，這有助于停電時保持必要的設備運行，直到電力恢復。

5、教育公眾了解凍雨的危險，發(fā)現(xiàn)壓斷的電纜線路，不要觸碰，要及時報告電力部門，以降低凍雨對電力供應的影響。

6、電力部門處置各種突發(fā)事件，最根本的還是要靠人。電力部門的搶修隊伍需要吃苦耐勞。

通過采取這些措施，就可以減少極寒天氣對電力系統(tǒng)的影響，并保證在惡劣天氣條件下提供更可靠的供電。

四、小結(jié)

德州有很多私營的能源（包括電力、石油等）公司，這些公司影響力強大，在城市運行中發(fā)揮著主導作用。私營公司極力扼制政府公共管理機構(gòu)的地位，導致政府在公共事務中的影響力小于這些私營公司。美國電力公司都不是代表多數(shù)人的利益，而是代表了股東的利益。德州的小型獨立電網(wǎng)為了使利潤最大化，降低了公共設施抵御風險的成本，電力系統(tǒng)冬季設計參數(shù)不能完全抵御極寒天氣。另外，為了免受聯(lián)邦政府的監(jiān)督，德州電力系統(tǒng)相對獨立，德州電網(wǎng)與美國主要的東部、西部國家電網(wǎng)是斷開的，與美國其他州的電網(wǎng)也都互不相連，這使德州政府很難從其他州進口電力。這些是美國，尤其是德州電力系統(tǒng)的主要問題。

如果沒有發(fā)生重大危機和災難，德州將是一個充滿活力的州。然而，在發(fā)生了極寒天氣重大危機后，德州政府的許多缺陷就暴露出來。因為公共行政部門和政府機構(gòu)的權(quán)力和影響較小，使他們無法獲得足夠的授權(quán)，且政府沒有足夠的資源面對重大危機，德州最終陷入了困境。

總之，德州極寒天氣危害反映出美國電力系統(tǒng)的規(guī)劃問題，美國電力公司之間的競爭機制、德州電力系統(tǒng)抗寒和政府應急能力不足是冬季風暴災害的主要原因。美國應該從根本上解決極端天氣對民眾造成的影響，以提高的電力系統(tǒng)應急需求。