從德克薩斯州冬季極寒天氣談美國(guó)電力系統(tǒng)

一、德克薩斯州冬季極寒天氣造成的災(zāi)害

2021年2月10日至20日美國(guó)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(fēng)暴。它造成了德克薩斯州（以下簡(jiǎn)稱“德州”）30年來最冷的天氣，最低氣溫達(dá)到了-18℃，約80%的地區(qū)被冰雪覆蓋。由于此次冬季風(fēng)暴使風(fēng)力發(fā)電、天然氣發(fā)電、太陽能發(fā)電設(shè)施凍結(jié)而導(dǎo)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(fēng)暴。這次出現(xiàn)了嚴(yán)重的凍雨，以及降雪和雨夾雪，導(dǎo)致許多地區(qū)的凍雨至少達(dá)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(guó)的位置，和我國(guó)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(huì)有幾天最低氣溫達(dá)到0℃以下。雖然晚上氣溫可降至0℃以下，但白天氣溫會(huì)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(shì)難以抵御北極冷空氣長(zhǎng)驅(qū)南下的侵襲。

2021年2月，極地冷旋渦南移，即北極氣團(tuán)帶來的冷空氣不分區(qū)域地一路南下，直達(dá)美國(guó)德州，導(dǎo)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(duì)獨(dú)立，導(dǎo)致冷旋渦移動(dòng)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(dǎo)致大氣壓力在24小時(shí)內(nèi)急劇下降，具有強(qiáng)大的爆發(fā)力和破壞力。當(dāng)較強(qiáng)的冷空氣南下遇到暖濕氣流時(shí)，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(rùn)的暖空氣被抬升，形成云，繼續(xù)形成雨。當(dāng)雨從空中落下時(shí)，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(huì)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(fēng)雪、凍雨、洪災(zāi)、山體滑坡等自然災(zāi)害。

3、德州的電力系統(tǒng)

美國(guó)有三個(gè)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(fēng)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(duì)獨(dú)立，由于地理環(huán)境優(yōu)越，大部分用電是由風(fēng)力和太陽能發(fā)電，風(fēng)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(shè)施不會(huì)考慮極端天氣的影響，因此，德州城市基礎(chǔ)設(shè)施按照 50-100年一遇（極寒天氣）的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。高壓線的材質(zhì)普通，電力系統(tǒng)冬季設(shè)計(jì)參數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)都不高，電網(wǎng)抗寒能力不強(qiáng)，沒有考慮除冰設(shè)施，電力系統(tǒng)搶修隊(duì)伍不強(qiáng)大。

德州這次遭遇的極端天氣是“史無前例的”，的確是很難預(yù)料的天災(zāi)。嚴(yán)寒天氣帶來的危害，超過了電力系統(tǒng)冬季設(shè)計(jì)參數(shù)，所以德州遭遇了大停電。這不完全是當(dāng)?shù)仉娏Σ块T的責(zé)任，主要是德州電力及能源部門應(yīng)對(duì)危機(jī)的能力不足。

4、極寒天氣對(duì)德州基礎(chǔ)設(shè)施的影響

寒冷地區(qū)的市政設(shè)施抗寒能力強(qiáng)、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)高、除冰能力強(qiáng)，再加上暴風(fēng)雪通常伴隨著大風(fēng)，雪一般不會(huì)聚集在高壓線上面，又因冬天氣溫很低，一般不會(huì)出現(xiàn)凍雨。

而德州屬于溫帶和亞熱帶地區(qū)，在冬季風(fēng)暴期間，因?yàn)楹币姾睅碛暄?、冰凍天氣，甚至出現(xiàn)凍雨，暴風(fēng)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(fù)擔(dān)，導(dǎo)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(fēng)力發(fā)電渦輪機(jī)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(dǎo)致停電。煤炭和天然氣電廠的設(shè)備在極寒天氣中也遇到了技術(shù)問題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在2023年初冬季風(fēng)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(fù)擔(dān)過重，德州造成了大范圍供電中斷。和暴風(fēng)雪比起來，凍雨對(duì)高壓線的危害更大，給電力系統(tǒng)帶來的損害也更嚴(yán)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(wù)中斷帶來的缺水問題。

三、降低極寒天氣災(zāi)害的措施

為了減少冬季風(fēng)暴和凍雨對(duì)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(shí)，冰雪、凍雨覆蓋在樹枝上，樹枝可能會(huì)被壓斷，從而刮到也覆蓋了冰雪的輸電高壓電纜，不堪重負(fù)的電纜就會(huì)受損導(dǎo)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(duì)電力供應(yīng)的影響。

2、改造電力系統(tǒng)，更換更粗、更堅(jiān)固的電纜，加固電網(wǎng)線路，使用加強(qiáng)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(yù)警終端以抵抗極寒天氣時(shí)冰雪、凍雨的負(fù)荷。

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

4、如遇極寒天氣，電力部門可以用無人機(jī)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(jī)或充電電池等備用電源，這有助于停電時(shí)保持必要的設(shè)備運(yùn)行，直到電力恢復(fù)。

5、教育公眾了解凍雨的危險(xiǎn)，發(fā)現(xiàn)壓斷的電纜線路，不要觸碰，要及時(shí)報(bào)告電力部門，以降低凍雨對(duì)電力供應(yīng)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(duì)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(duì)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(yíng)的能源（包括電力、石油等）公司，這些公司影響力強(qiáng)大，在城市運(yùn)行中發(fā)揮著主導(dǎo)作用。私營(yíng)公司極力扼制政府公共管理機(jī)構(gòu)的地位，導(dǎo)致政府在公共事務(wù)中的影響力小于這些私營(yíng)公司。美國(guó)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(dú)立電網(wǎng)為了使利潤(rùn)最大化，降低了公共設(shè)施抵御風(fēng)險(xiǎn)的成本，電力系統(tǒng)冬季設(shè)計(jì)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(duì)獨(dú)立，德州電網(wǎng)與美國(guó)主要的東部、西部國(guó)家電網(wǎng)是斷開的，與美國(guó)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(jìn)口電力。這些是美國(guó)，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(jī)和災(zāi)難，德州將是一個(gè)充滿活力的州。然而，在發(fā)生了極寒天氣重大危機(jī)后，德州政府的許多缺陷就暴露出來。因?yàn)楣残姓块T和政府機(jī)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(duì)重大危機(jī)，德州最終陷入了困境。

總之，德州極寒天氣危害反映出美國(guó)電力系統(tǒng)的規(guī)劃問題，美國(guó)電力公司之間的競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制、德州電力系統(tǒng)抗寒和政府應(yīng)急能力不足是冬季風(fēng)暴災(zāi)害的主要原因。美國(guó)應(yīng)該從根本上解決極端天氣對(duì)民眾造成的影響，以提高的電力系統(tǒng)應(yīng)急需求。