从德克萨斯州冬季极寒天气谈美国电力系统

一、德克萨斯州冬季极寒天气造成的灾害

2021年2月10日至20日美国出现了罕见的极寒天气，即罕见寒潮带来的雨雪、冰冻天气，也称冬季风暴。它造成了德克萨斯州（以下简称“德州”）30年来最冷的天气，最低气温达到了-18℃，约80%的地区被冰雪覆盖。由于此次冬季风暴使风力发电、天然气发电、太阳能发电设施冻结而导致发电系统出现故障，德州大片地区停电停水。随着电力短缺的发生，人们也经历了生活用水、食物和供热的短缺。

2023年初，德州中部又遭遇了冬季风暴。这次出现了严重的冻雨，以及降雪和雨夹雪，导致许多地区的冻雨至少达到了1.3cm，许多居民区停电，给居民的生活带来诸多不便。

二、极寒天气产生的原因

1、德州的气候

德州在美国的位置，和我国广东省相似，属于南方地区。德州冬季气候温暖，但一般在一月份，也会有几天最低气温达到0℃以下。虽然晚上气温可降至0℃以下，但白天气温会回升。德州大部分地区属于温带或亚热带属气候，北部和南部冬季的平均气温分别是1.7℃和15.6℃，气温常年都在0℃以上。因此，德州冬季很少下雪。

2、极寒天气是如何产生的

北美较大的山脉多为南北走向，比如，东部的阿巴拉契亚山脉和西部的落基山脉等，山脉之间是宽阔的平原，这种地势难以抵御北极冷空气长驱南下的侵袭。

2021年2月，极地冷旋涡南移，即北极气团带来的冷空气不分区域地一路南下，直达美国德州，导致了极寒天气。极地冷空气直接影响气温，使冷涡中心的温度非常低。而且它的冷涡相对独立，导致冷旋涡移动速度很慢，所到之处持续降温和降雪。

2023年初的极端天气是因极冷气旋引起，它主要由冷空气与暖湿空气相遇而形成，导致大气压力在24小时内急剧下降，具有强大的爆发力和破坏力。当较强的冷空气南下遇到暖湿气流时，冷空气由于密度大就插在暖空气的下方，使近地层气温骤降到0℃以下，湿润的暖空气被抬升，形成云，继续形成雨。当雨从空中落下时，因近地面的气温低于0°C，电线杆、树木、植被及道路表面都会冻结上一层晶莹透亮的薄冰，这种天气现象称为“冻雨”。极冷气旋又伴有暴风雪、冻雨、洪灾、山体滑坡等自然灾害。

3、德州的电力系统

美国有三个主要的电网系统：东部、西部和德州。东部以煤炭和天然气为主要的发电来源。西部以水电和太阳能为发电的来源。煤炭、天然气、风力和太阳能发电是德州的主要发电来源。德州的电力系统相对独立，由于地理环境优越，大部分用电是由风力和太阳能发电，风力发电约占德州总发电量的四分之一。

温带和亚热带地区冬季气候温和，极少遇到极寒天气，电力系统各种设施不会考虑极端天气的影响，因此，德州城市基础设施按照 50-100年一遇（极寒天气）的标准设计。高压线的材质普通，电力系统冬季设计参数和标准都不高，电网抗寒能力不强，没有考虑除冰设施，电力系统抢修队伍不强大。

德州这次遭遇的极端天气是“史无前例的”，的确是很难预料的天灾。严寒天气带来的危害，超过了电力系统冬季设计参数，所以德州遭遇了大停电。这不完全是当地电力部门的责任，主要是德州电力及能源部门应对危机的能力不足。

4、极寒天气对德州基础设施的影响

寒冷地区的市政设施抗寒能力强、设计标准高、除冰能力强，再加上暴风雪通常伴随着大风，雪一般不会聚集在高压线上面，又因冬天气温很低，一般不会出现冻雨。

而德州属于温带和亚热带地区，在冬季风暴期间，因为罕见寒潮带来雨雪、冰冻天气，甚至出现冻雨，暴风雪和冻雨形成的冰块覆着积聚在输电高压线上，加大了高压线的负担，导致其下垂或被压断，甚至连高压线铁塔都被一起压塌。在极寒天气中，风力发电涡轮机叶片冻结，太阳能发电板被厚厚的积雪覆盖，均无法正常发电，从而导致停电。煤炭和天然气电厂的设备在极寒天气中也遇到了技术问题。据统计，在2023年初冬季风暴期间，德州天然气发电厂的停电率最高，占高峰期停电率的一半，约为25000 MW。由于电力系统受损和住宅供暖需求的激增，使电网负担过重，德州造成了大范围供电中断。和暴风雪比起来，冻雨对高压线的危害更大，给电力系统带来的损害也更严重。

因气温极低水管爆裂，供水系统也受到破坏，德州接近一半人口面临供水服务中断带来的缺水问题。

三、降低极寒天气灾害的措施

为了减少冬季风暴和冻雨对电力系统的影响，可以采取以下一些措施：

1、如果树木离输电高压线太近，在极寒天气时，冰雪、冻雨覆盖在树枝上，树枝可能会被压断，从而刮到也覆盖了冰雪的输电高压电缆，不堪重负的电缆就会受损导致停电。定期修剪或清除据电缆过近的树木，有助于减少冻雨对电力供应的影响。

2、改造电力系统，更换更粗、更坚固的电缆，加固电网线路，使用加强杆、绝缘子，采用特高压输电线路，配置各类融除冰装置及覆冰在线预警终端以抵抗极寒天气时冰雪、冻雨的负荷。

3、定期维护电力系统可帮助在冬季风暴到来前查出和修复任何问题。为了减轻电力巡视人员的工作强度，可以使用无人机辅助巡视线路，无人机可以随时发现高压线路的问题，工作人员能及时更换磨损和损坏的部件，并且紧固任何松动的连接。

4、如遇极寒天气，电力部门可以用无人机喷出的火焰清理挂在高压线上的冰雪。企业或居民要配备发电机或充电电池等备用电源，这有助于停电时保持必要的设备运行，直到电力恢复。

5、教育公众了解冻雨的危险，发现压断的电缆线路，不要触碰，要及时报告电力部门，以降低冻雨对电力供应的影响。

6、电力部门处置各种突发事件，最根本的还是要靠人。电力部门的抢修队伍需要吃苦耐劳。

通过采取这些措施，就可以减少极寒天气对电力系统的影响，并保证在恶劣天气条件下提供更可靠的供电。

四、小结

德州有很多私营的能源（包括电力、石油等）公司，这些公司影响力强大，在城市运行中发挥着主导作用。私营公司极力扼制政府公共管理机构的地位，导致政府在公共事务中的影响力小于这些私营公司。美国电力公司都不是代表多数人的利益，而是代表了股东的利益。德州的小型独立电网为了使利润最大化，降低了公共设施抵御风险的成本，电力系统冬季设计参数不能完全抵御极寒天气。另外，为了免受联邦政府的监督，德州电力系统相对独立，德州电网与美国主要的东部、西部国家电网是断开的，与美国其他州的电网也都互不相连，这使德州政府很难从其他州进口电力。这些是美国，尤其是德州电力系统的主要问题。

如果没有发生重大危机和灾难，德州将是一个充满活力的州。然而，在发生了极寒天气重大危机后，德州政府的许多缺陷就暴露出来。因为公共行政部门和政府机构的权力和影响较小，使他们无法获得足够的授权，且政府没有足够的资源面对重大危机，德州最终陷入了困境。

总之，德州极寒天气危害反映出美国电力系统的规划问题，美国电力公司之间的竞争机制、德州电力系统抗寒和政府应急能力不足是冬季风暴灾害的主要原因。美国应该从根本上解决极端天气对民众造成的影响，以提高的电力系统应急需求。