综述：野火对电网的影响：反馈机制、影响程度、监测方法、建模技术及缓解策略

《RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS》：Wildfire-power grid interactions: Feedback, impacts, monitoring, modeling, and mitigation strategies

火灾与电网的交互作用呈现双向灾害链特征：火灾损坏电网设施并引发大规模停电，而电网故障（如导体碰撞、高压电弧）在高温干旱大风条件下可能引燃野火。研究整合物理影响、故障点火、社会冲击、多尺度监测和耦合建模五大领域，提出"反馈-aware"社会技术框架。基于2005-2025年全球案例的纵向分析发现，电网老化是引发"超级火灾"的关键因素，而现有监测存在数据格式不兼容、时空覆盖不全等问题，耦合模型多静态化处理电网。未来需构建互操作监测架构，开发反馈耦合的火灾-电网模拟，并建立兼顾技术性能、经济性和公平性的缓解策略评估体系。

　　

作者名单：贾富茂（Jiafu Mao）、岳峰浩（Yuefeng Hao）、格兰特·巴斯特（Grant Buster）、史小英（Xiaoying Shi）、金明洲（Mingzhou Jin）、李芳星（Fangxing Li）、彼得·E·桑顿（Peter E. Thornton）

美国田纳西州橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory）环境科学部门，邮编37830

摘要

野火通过与电力系统的双向危害链相互作用，对电力系统造成日益严重的影响：火灾会损坏电网设施并引发连锁停电，而电网故障在高温、干燥和多风的条件下可能引发新的火灾。本文综合了五个领域的现有知识：（i）火焰、热量和烟雾对电线、塔架、绝缘子和变电站的物理影响；（ii）通过导体碰撞、高阻抗故障和电晕放电引发的电力基础设施引发的火灾；（iii）大规模停电及其对社会造成的不成比例的影响；（iv）涵盖实验室测试、现场和电网集成传感器以及地球观测的多尺度监测；（v）将火灾行为与电网运行联系起来的耦合建模；（vi）包括预防、响应和恢复在内的技术和战略缓解途径。我们将这些领域整合到一个新颖的“反馈意识”社会技术框架中。通过对2005年至2025年间全球火灾事件的纵向分析，我们发现虽然植被接触仍然是最常见的点火源，但老化基础设施的故障已成为导致灾难性“超级火灾”的关键因素。我们还指出了持续存在的差距，包括高频电网数据与环境数据之间的互操作性有限、实时数据同化不足以及停电管理方面的公平性指标不完善。最后，我们提出了一项研究议程，包括（1）部署互操作的传感架构；（2）推进反馈耦合的火灾-电网模拟；（3）从技术和公平的角度评估缓解措施。将野火-电网相互作用视为一个耦合的社会技术系统对于保护基础设施和社区以及在变化的世界中确保可靠的可持续电力至关重要。

引言

过去几十年里，野火的频率、严重程度和地理范围发生了显著变化[[1], [2], [3], [4], [5]]。这种变化反映了火险天气条件的加剧（包括温度升高、湿度降低和极端风事件[[6,7]]、某些地区植被生长和燃料积累的增加[[8], [9], [10], [11], [12], [13]]，以及自然和人为引发火灾的可能性上升[[14,15]]。随着城市发展进一步侵入野生地-城市交界区（WUI），电力系统同时面临前所未有的野火威胁[[16,17]]。这种邻近性形成了一个危险的双向危害：电网越来越容易受到火灾的破坏[[18,19]]，同时又成为现代历史上一些最具破坏性火灾的主要点火源[[20]]。野火与电力系统之间复杂的双向关系凸显了制定全面韧性策略的迫切需求[[21],[22],[23]]。

这种相互作用的复杂性在于其耦合的反馈机制。野火对电力基础设施构成直接且严重的威胁，迅速损坏或破坏关键组件，如电线杆、输电和配电线路、变电站、变压器和绝缘子[[24,25]]。由此产生的物理损害会引发连锁效应，包括大规模停电、对紧急救援人员和公众的安全威胁，以及与系统停机、紧急维修和长期恢复相关的巨大经济损失[[26,27]]。此外，强烈的火灾产生的热量和烟雾通过火焰桥接作用降低高压系统的击穿电压70-80%，并通过烟雾颗粒的绝缘性能下降进一步降低20-50%[[25]]。这些相互作用形成了一个循环：野火损坏电力基础设施，加剧能源不安全并阻碍紧急响应行动[[28,29]]。在强风条件下，电气故障可能成为强大的点火源，因为导体碰撞或植被接触可能会释放出能够点燃干燥燃料的高温颗粒[[30]]。这类火灾通常由导体碰撞、植被侵入或设备故障等机制引发[[31], [32], [33]]。在强风条件下，即使是相对较小的电气故障也可能产生高温电弧或熔融金属颗粒，从而轻易点燃附近的干燥植被[[34,35]]。特别是在加利福尼亚州、科罗拉多州和澳大利亚，高调的调查多次将毁灭性野火的起源追溯到极端火险天气条件下的电网故障[[36]]。随着野火季节的长度和严重程度的增加，电力基础设施在点火动态中的作用需要更多的科学、监管和政策关注。然而，关于点火风险在不同环境和运行环境中的变化仍存在关键的知识空白，这限制了预测能力和有效缓解策略的开发[[26,37]]。

当前的野火风险管理工作还受到分散的监测和建模系统的限制。尽管卫星观测[[38], [39], [40], [41], [42], [43], [44], [45], [46]]和地面环境传感器[[47], [48], [49], [50]]生成了大量数据，但它们与高频电网诊断[[51,52]]的整合常常受到数据格式不一致和时空覆盖范围不足的阻碍[[53], [54], [55]]。同时，耦合建模框架通常将电网视为静态元素，未能捕捉动态点火概率或预防性断电的反馈效应[[56], [57], [58], [59]]。重要的是，像公共安全停电（PSPS）这样的缓解策略往往缺乏评估其对脆弱社区不成比例的社会经济影响的综合框架[[60,61]]。

本文通过提出一个全面的、“反馈意识”的野火-电网相互作用综合研究来弥合这些差距。虽然现有的综述通常关注特定点火机制或静态风险规划等孤立组件，但我们整合了2005年至2025年的纵向故障分析，以量化不断演变的风险，将点火物理过程直接与连锁的社会后果联系起来，并在评估缓解策略时考虑公平性。具体来说，我们的贡献有三个方面：（1）我们明确了连接点火、火灾行为和电网压力的双向危害链；（2）我们将监测和建模的进步整合到一个互操作的数据到决策的流程中；（3）我们通过结合技术性能、成本和公平性考虑来评估缓解措施。

章节摘录

野火对电力基础设施的破坏

野火会严重损害电力系统的结构和运行完整性（图1）。2005年至2025年间主要野火事件的分析表明，配电级别的基础设施——特别是电线杆、导体和绝缘子——占电网-野火相互作用的约91%，远远超过输电级别的结构故障（图1）。火焰、热量、烟雾和碎片的暴露会损坏或摧毁电线杆、绝缘子和导体。

电力基础设施引发野火

电力系统越来越被认为是野火的重要点火源，尤其是在高温、干燥和多风的条件下[[31,81,82]]。在加利福尼亚州等地区，与公用事业相关的故障历史上占火灾事件的比例相对较小，但导致的烧毁面积和经济损失却不成比例地大[[36], [83]]。这种不平衡表明，即使是孤立的故障，如导体碰撞和高阻抗故障，也可能引发大规模火灾。

广泛的野火相关停电及其社会影响

虽然前面的章节详细介绍了电网故障和点火的物理机制，但这些工程挑战与其连锁的社会后果是不可分割的。在一个“反馈意识”框架中，社会影响——从经济瘫痪到医疗中断——作为关键的“错误信号”，重新调整电网的运行和规划。

表1所示的野火引发的停电越来越普遍，对健康构成广泛的风险。

野火-电网相互作用的监测和观测技术

强大的多尺度观测对于阐明野火与电力系统之间的双向相互作用以及量化其连锁的社会经济影响至关重要。现代研究利用了一系列实验室测试、现场试验、遥感平台和基于传感器的电网分析，共同提供了关于点火过程、火灾行为、基础设施压力、服务中断和社区中断的同步时间数据（表2）。

耦合建模方法

在过去二十年里，研究人员开发了一系列模型，将野火行为与电力系统的韧性联系起来。这些模型从在电网地图上叠加火灾蔓延的以火灾为中心的模拟器，到将野火作为外部压力的以电网为中心的韧性工具，再到试图将这两个领域紧密结合的更全面的框架。表3概述了这些方法，强调了它们的重点、优势和局限性。

风险缓解的技术和战略途径

基于反馈机制、系统影响和综合数据建模的见解，我们将缓解策略的讨论分为韧性周期的三个关键阶段：事件前（预防/强化）、事件中（响应/生存）和事件后（恢复/重建）。每个阶段都面临不同的工程挑战，需要针对性的技术解决方案。

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阶段1：事件前（预防与强化）。主要目标是减少点火

跨领域差距和未来方向

基于前面章节的讨论，图3说明了为什么必须将野火和电网风险视为相互关联的挑战，而不是孤立地分析。该框架展示了连续的观测数据流——从卫星热异常到安装在塔上的天气传感器——如何驱动火灾行为和电网脆弱性的预测模型。这些模型为实时电网控制策略、紧急响应和灾后恢复工作提供了信息。

结论

野火-电网相互作用构成了一个日益严重和多方面的危害，这一危害因电力基础设施向易发生火灾的地区的全球扩展以及野火频率和严重程度的增加而加剧。多尺度观测系统、火灾行为建模、电网脆弱性评估和预测分析方面的最新进展提高了我们对电力系统如何促成和遭受野火事件影响的理解。然而，仍存在一些关键的知识空白。

写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备这项工作时，作者使用了Google Gemini 3来协助初步的摘要级标记，以提高语言清晰度，并生成图2（重大野火中电气点火源的时间分布和分类）的示意图。使用该工具后，作者根据需要审查和编辑了内容，并对出版物的内容负全责。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

这项研究得到了美国能源部（DOE）的“电网现代化计划”的支持，作为其电网现代化实验室联盟的一部分，该联盟是DOE与国家实验室之间的战略合作伙伴关系，旨在汇集顶尖专家、技术和资源，共同实现国家电网的现代化。资金由能源部能源效率和可再生能源办公室（EERE）、能源部电力办公室（OE）以及能源部其他部门提供。