美国对电网扩张和现代化有多项计划，包括建设更多太阳能和风能电站、新增燃煤和天然气发电厂，以及为处理人工智能工作负载的数据中心供电。

所有这些努力都依赖于一种基本设计可追溯至19世纪末的设备：大型电力变压器。理解这一类设备为何成为瓶颈，有助于解释当前这些计划中出现的漫长交付周期和不断上涨的成本。

这些巨型金属结构的体积大约相当于一栋两层住宅，重量可达400吨，约等于一架满载的波音747。它们将用于远距离输电的高电压转换为家庭和企业可用的较低电压。尽管这种设备在大约150年前被发明，大型电力变压器至今仍基本沿用相同的制造方式。

在美国及其他地区运行的大量变压器已超出其设计使用年限。与此同时，可供替换的设备不足以满足全球需求。一笔订单从生产到交付可能需要超过三年时间。

变压器高效输送电力

大型电力变压器对远距离输电至关重要。发电厂——包括燃煤和燃气电站、水电站大坝以及太阳能和风能电站——往往远离用电客户。

电力通过输电线传输时会产生热量。在长距离传输中，热量会显著减少到达终点的能量。因此电力公司使用大型变压器提高电压，以降低传输损耗。这一过程可以比作将货物装上行驶于州际高速公路的大型卡车：与在较小道路上行驶的小型车辆相比，卡车能更高效地运输更多能量。

然而，高压电力不能被家庭和企业直接使用，正如一辆以高速公路速度行驶的半挂卡车不能直接开进住宅车道。当电力到达用户所在区域时，需要通过另一台大型变压器将电压降至可用水平。随后，较低电压的配电线路将电力输送到剩余距离之外的家庭和企业。

从2019年到2025年，将发电厂连接到输电网的发电机升压变压器的需求几乎增长了两倍。同期，充当低压“下匝道”的变压器需求增长了一倍以上，成本上涨了80%。实际上，处于电网扩张计划核心的各类发电厂——核能、化石燃料、太阳能和风能——都依赖同一批有限的定制设备。

这些设备并非由全自动装配线批量生产。每一台都是根据其预定安装地点的需求进行定制设计。如果一台专用变压器在极端风暴或热浪中发生故障，仓库里通常没有现成的替换设备。

特殊材料限制产能

变压器的制造材料是延误的主要原因之一。一个关键部件是取向电工钢，这是一种与普通钢材截然不同的专业产品。

制造商通过精确的热处理和机械工艺，将钢的磁晶排列为单一方向。这种晶体排列使磁场能够以较低的能耗穿过材料，这在处理大量电力时至关重要。全球仅有少数专业钢厂能生产这种材料，而其中仅有一家位于美国。这使得美国变压器生产在核心材料上依赖唯一的本土钢厂。

铜同样供应紧张。铜被制成导线，缠绕在通常由钢材制成的变压器铁芯上，以实现所需的电压调节。

替代方案引发新瓶颈

由于变压器短缺，公用事业公司和发电商为获得将新电厂接入电网所需的设备，可能需要等待两年以上。无论电厂使用核能、化石燃料、太阳能还是风能，这一延迟都同样存在。

为避免等待并网，为人工智能系统运营数据中心的公司试图完全绕开电网，通过安装专用的现场天然气电站为计算机中心供电。

这一变通方案引发了另一个供应链问题。燃气轮机的运行温度超过2,000华氏度（1,100摄氏度），足以熔化普通钢材。涡轮叶片通过复杂的工艺、采用高度专业化的金属组合制造，并涂覆陶瓷隔热层。

随着科技公司下达越来越多、越来越大的订单，从订购燃气轮机到收货的时间已延长至三至七年。由于需求增加和特殊材料持续稀缺，预计2027年涡轮机价格将接近2019年水平的三倍。这一交付周期比现场电站原本想要避开的并网等待时间还要长。

可能的应对措施

一套形成于19世纪的供应链，正难以可靠地服务于21世纪的经济。大型电力变压器对于升级现有电网、降低其在大规模风暴和长时间停电面前的脆弱性同样至关重要。

潜在的解决方案具体但复杂。美国网络安全和基础设施安全局建议将变压器设计标准化，而不是每台设备都从零开始定制。标准化有助于制造商通过流水线式流程更快地生产更多设备，也能让公用事业公司更方便地共享应急备用变压器。该机构的报告可参见 CISA。

美国能源部建议部署统称为“电网增强技术”的技术。这些技术包括实时测量远距离输电线可传输电力的传感器，以及能识别替代路径、优化电厂电力分配并最大化客户可用电力的先进软件。据能源部称，此类系统可使输电量比现有水平多出15%至20%，在等待新变压器交付期间缓解瓶颈。能源部的相关资料可参见 DOE。

从长远来看，美国可以生产更多取向电工钢、加工更多铜，并扩大大型电力变压器的本土制造产能。标准化设计是否被采用、电网增强技术是否部署于现有线路、新的本土产能是否建成，将决定这类设备的等待时间会持续多久。

所有适应、改进、扩张和现代化电网的努力都依赖于这类设备。没有大型电力变压器，这些努力将面临重大限制。因此，政策制定者和行业领导者面临一个选择：解决硬件短缺问题，或接受由此导致的电网拥堵、项目延迟和成本上升。

解决变压器瓶颈，将把这些制约因素从一种默认结果，转变为可以通过审慎决策加以应对的问题。

Jasmine Garland 是科罗拉多大学博尔德分校土木、环境与建筑工程专业的校长博士后研究员。

本文根据知识共享许可协议转载自 The Conversation，原文可参见 The Conversation。

本文最初刊载于 Fortune.com。