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(1)全球电力行业的发展状况:经济增长对于电力需求的拉动十分显著,从历年经济增长与用电需求的增长量来看,经济增长量与用电需求量息息相关。随着全球现代化进程的加速推进,各国近年都在不断加大对电力基础设施建设的投入,以中国、印度、巴西、南非等经济体为首的新兴市场国家经济发展推进了电力投资的增长。中金企信国际咨询统计数据显示,全球发电量2010年至2020年的年复合增长率为2.2%,呈稳定增长趋势,其中亚太地区增速在5%以上。2020年全球受疫情冲击影响,发电量增速有所放缓,但总体仍处于增长趋势。
2021年随着疫情后的经济复苏,全球GDP增速将从2020年的-3.4%上升为5.5%。2022年全球GDP预期将维持4.1%左右的增速,2023年经济增速将逐步恢复至疫情前3.2%增速。综上,预期未来全球经济增长仍呈稳定增长态势。2021年全球电力需求增长了约6%,该增长是自2010年金融危机复苏以来最大的相对增长。其中,工业对电力需求增长的贡献最大,其次是商业和服务业,最后是居民生活用电。旺盛的用电需求将进一步推动各国对电网等基础设施建设的投资,进而对输配电设备的需求也将稳步增长。
(2)我国电力行业的发展状况:
①我国电力行业基本情况:电力系统由发电、输变电、配电、用电四大系统共同构成。其中,输变电、配电环节是电力系统中发电厂与电力用户之间的输送电能与分配电能的组成部分。输变电是从发电厂或发电厂群向供电区输送大量电力的主干渠道,同时也是不同电网之间互送大量电力的联网渠道;而配电是在供电区内将电能分配至电力终端用户的分配手段,并直接为用户服务。我国电力系统的发电侧、输电侧和配电侧示意图如下:
我国输变电、配电网中,电压等级情况如下:
我国电网主要由国家电网、南方电网组成,其中,国家电网覆盖全国26个省、直辖市与自治区,南方电网覆盖广东、广西、云南、贵州和海南5个省。
据国家统计局数据,2011年至2021年,我国经济增长的总体情况良好,我国GDP(支出法)从2011年的48.79万亿元上升至2021年的114.37万亿元,GDP复合增速为8.89%。作为支撑国民经济发展的基础性行业,电力行业的增速与国民经济的增速息息相关。2011年至2021年,全国发电量从4.71万亿kWh增至8.53万亿kWh。由于近年来受经济转型以及疫情影响,全国发电量增长有所放缓,但随着疫情后经济复苏,电力行业也势必随着国家产业发展而保持稳定增长。
②我国电网的投资与发展情况:加强电网工程建设,能够提高电网安全性和可靠性,实现能源的合理配置,优化能源利用结构,提高能源利用效率,改善生活环境,同时也可以带动相关产业的升级。
2010年至2020年,全国电力当年完成额从7,417亿元增至10,189亿元,年均复合增长率为3.23%。其中,电源投资和电网投资规模分别从3,969亿元和3,448亿元增至5,292亿元和4,896亿元。电网投资长期在电力投资占据重要比例,2020年电网投资占当年电力投资总规模的48%。根据国家电网报发布的信息,2021年,国家电网基建投资金额4,024.80亿元,完成年度计划的100.5%。
根据中电联数据,我国“十二五”期间和“十三五”期间的电网建设投资分别为19,962.9亿元和26,052.4亿元。根据国务院发布的《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》,我国将进一步完善国内现代能源体系,加快电网基础设施智能化改造和智能微电网建设,提高电力系统互补互济和智能调节能力,加强源网荷储衔接,提升向边远地区输配电能力。
根据《中国能源报》资料,在“十四五”期间的国家输电线路建设中,国家电网计划投资约3,500亿美元(折合人民币约2.23万亿元),南方电网计划投资6,700亿元,合计电网建设计划投资较“十三五”期间电网建设投资增长11%左右,我国电网建设将迎来新的发展契机。
③我国特高压输电发展状况:我国的能源分布不平衡,电力需求集中于东部地区,而发电能力集中于西部地区。随着我国长期稳定的经济增长对电力的需求持续增加,我国迫切需要建设大规模、远距离的高压输电线路,最终完成“西电东送”工程建设。特高压输电具有输送容量大、送电距离长、线路损耗低、节约土地资源、节省工程投资等显著技术优势,能大幅提升我国电网输送能力,是当今输电技术的最高水平及未来电网发展的方向,我国在特高压输电技术方面领先全球。
在特高压输电中,交流输电与直流输电各有优势。特高压交流输电在构成交流环网和短距离传输领域优势突出,主要定位于近距离大容量输电和更高一级电压等级的网架建设,实现各大区电网的同步互联,适合作为大区域中枢,担当网架的主干;特高压直流输电在点对点长距离传输、海底电缆、大电网联接与隔绝等领域优势突出,主要定位于远距离大容量输电以及部分大区、省网之间的互联,适合实现大区域联网。
自2006年起至今,我国特高压建设主要经历了四个发展阶段:探索与示范阶段(2006年至2010年):我国特高压直流输电工程是从2006—2007年以云南—广州、向家坝—上海项目为起点开始建设和发展,基础是超高压直流技术。我国首条特高压交流输电工程是2006年12月开工建设的“晋东南—南阳—荆门1000kV特高压交流试验示范工程”。2006年至2010年,我国共有4条特高压线路开工,其中交流工程1条、直流工程3条。截至2010年,我国累积完工特高压线路长度3,985千米。
第一轮发展阶段(2011年至2013年):在本阶段中,我国明确结合大型能源基地建设,采用特高压等大容量、高效率、远距离先进输电技术,以形成大规模“西电东送”、“北电南送”的能源使用格局,并加快区域和省级超高压主网架建设,重点实施电力送出地区和受端地区骨干网架及省域间联网工程,完善输、配电网结构,提高分区、分层供电能力。2011年至2013年,我国共有5条特高压线路开工,其中交流工程2条、直流工程3条,截至2013年累积完工特高压线路长度8,780千米。
第二轮发展阶段(2014年至2017年):为缓解大气污染,2014年5月,国家能源局提出加快推进大气污染防治行动计划12条重点输电通道的建设(其中含“四交五直”特高压工程),优化建设电网主网架和跨区域输电通道,并发挥跨省跨区特高压输电通道消纳可再生能源的作用。2014年至2017年,我国共有13条特高压开工,其中交流工程5条、直流工程8条。截至2017年,我国累积完工特高压线路长度为30,692千米。
第三轮发展阶段(2018年至今):在能源输送需求及加大基础设施领域补短板力度的双重影响下,特高压输电工程迎来第三轮快速发展时期。2018年至2021年,我国共有14条特高压开工,其中交流工程8条、直流工程6条。截至2021年,我国累计完工特高压线路长度44,892千米。
截至2021年底,我国已建成特高压线路31条,其中直流输电线路18条、交流输电线路13条,累计在运特高压线总长度4.4万千米。在建特高压线路5条,其中直流输电线路2条、交流输电线路3条。根据《中国能源报》资料,“十四五”期间,国家电网规划建设特高压线路“24交14直”,涉及线路3万余公里,变电换流容量3.4亿千伏安,总投资3,800亿元,对比“十三五”特高压建设投资额2,800亿元,增速约35.7%。
在“碳中和”背景下,我国对碳排放量提出了严格的规划,新能源装机占比提升后特高压将成为解决消纳和完善电网主网架布局和结构的核心抓手;此外,“新基建”是构建“双循环”新发展格局的核心,而特高压建设则是“新基建支持的重点方向,在“碳中和”和“新基建”的双重推动下特高压有望迎来新一波建设高峰。
中金企信国际咨询公布的《2023-2029年全球及中国高电压等级变压器用电磁线行业市场专项调查研究及投资战略可行性报告》
(2)我国变压器行业的发展状况:
①变压器基本情况:在输电网中,电气设备可以分为一次设备和二次设备,其中一次设备是供电系统的主体,直接用于生产、变换、输送、疏导、分配和使用电能,二次设备是对电力系统内一次设备进行监察、测量、控制、保护、调节的辅助设备。具体情况如下:
电网中运行的变压器是电力系统中重要的输配电设备,可以将一种电压的电能转换为另一种电压的电能。变压器一般分成电力变压器、换流变压器和电抗器等,其中:①电力变压器主要是用于输电及配电使用的变压器;②换流变压器用于远距离直流输电线路两端的换流站,与换流器连接将交流电能和直流电能互相转换;③电抗器用于线路里的限流或限压,补偿高压输电线的容性电流或电压,从而起到稳定电网的作用。
在超/特高压交流输电中,交流变压器为核心设备;在超/特高压直流输电中,换流变压器是核心设备。换流变压器在交流电网与直流线路之间起连接和协调作用,将电能由交流系统传输到直流系统或由直流系统传输到交流系统,是交、直流输电系统中换流、逆变两端接口的核心设备。由于换流变压器阀侧与直流相连,因此换流变压器不仅承受交流电压,而且还需要承受直流电压,因此换流变压器的结构特殊、复杂,关键技术高难,对制造环境和加工质量要求严格。换流变压器制造技术是世界变压器制造领域的尖端技术之一,代表着目前变压器制造业的最高水平,我国换流变压器技术水平已达国际领先水平。当前国内仅有特变电工、中国西电、保变电气、山东电力设备等少数几家企业掌握换流变压器制造技术。
②我国高电压等级变压器行业的发展状况:我国变压器生产企业较多,细分行业集中度与电压等级的上升成正比。在特高压变压器领域,特变电工、保变电气、中国西电、山东电力设备具有±800kV特高压直流输变电、1000kV特高压交流输变电成套设备的研制和生产能力。根据2019年至2021年特高压交流变压器、特高压直流用换流变压器中标情况,中标企业主要为特变电工、山东电力设备、保变电气和中国西电。在电压等级500kV及以上变压器市场,亦主要为上述四家等国内企业及西门子、ABB等外资企业。
2011年至2020年,随着我国电力投资建设的推进,我国高电压等级(110kV电压及以上)变压器容量逐步提升。中电联数据显示,我国高电压等级变压器的累计容量从375,186万kVA增加至748,228万kVA,年复合增长率7.97%。
2011-2020年运行的高电压等级(110kV电压及以上)变压器累计容量分析
单位:万kVA
数据统计:中金企信国际咨询
其中,高压变压器的累计容量从2011年的268,836万kVA稳步提升至2020年的494,022万kVA,复合年增长率为6.99%。
2011-2020年中国运行的高压变压器累计容量现状分析
单位:万kVA
数据统计:中金企信国际咨询
近十年,我国超高压交流变压器的容量随着电网投资的逐步提升,从94,853万kVA增加至190,719万kVA,复合年增长率为8.07%;超高压直流用换流变压器的容量从7,028万kVA增长为14,930万kVA,复合年增长率为8.73%。超高压交流变压器容量和超高压直流用换流变压器容量预计将继续维持增长。
2011-2020年各年运行的超高压交流变压器、直流用换流变压器累计容量分析
单位:万kVA
数据统计:中金企信国际咨询
特高压变压器在“十三五”期间迎来建设高峰,年均投入及修建里程均超过“十二五”,特高压变压器累计容量大幅增长。其中,特高压直流用换流变压器累计容量增至30,557万kVA,特高压交流变压器累计容量增至18,000万kVA。预计在“十四五”期间,随着电网投资规模的增大,对特高压变压器的需求将会进一步上升。
2011-2020年各年运行的特高压交流变压器、直流用换流变压器累计容量分析
单位:万kVA
数据统计:中金企信国际咨询
在国家“双碳”政策的战略指导下,国家工信部、国家市场监管总局和国家能源局联合发布《变压器能效提升计划(2021—2023年)》,大力推广高效节能变压器在输电网中的使用,逐步淘汰在网运行的低效变压器。随着特高压、超高压线路建设的持续扩张和高效节能变压器对低效变压器的替代,未来变压器累计总容量将不断上升。
(4)我国变压器行业的未来发展趋势:我国变压器行业的未来发展趋势与电力行业的发展息息相关。
①我国输电技术向高电压、大容量方向发展:根据国家统计局的数据,我国电力消费量自2010年的41,934.49亿千瓦时上升至2019年的74,866.12亿千瓦时,年复合增长率超过6.65%,用电需求快速增长。其中,主要的用电需求集中在我国华北、华中、华东地区,上述地区的工业用电占比超过六成。工业用电高能耗及长时间运作的特性要求电量的供应需保持稳定、充足。我国西北部地区不仅煤炭资源丰富,还适宜发展多种新能源发电,而本地却用电需求少,存在资源未能充分利用的情况。因此,大容量、远距离的输电是我国电力发展的主要方向,跨区域的电耗也决定了提高电压等级成为输电技术的主要发展方向。超高压、特高压输电具有远距离、大容量、低损耗、少占地的综合优势,可以大幅度提高电网自身的安全性、可靠性、灵活性和经济性。超高压、特高压行业的发展有利于优化我国电网和电源布局,促进电力工业整体和区域经济协调发展,能够有效地实现能源和资源的配置。因此,建设超高压、特高压电网成为我国电力发展的必然趋势。
随着“双碳”系列政策的陆续出台和持续落实,我国能源结构调整和能源装备产业转型升级加速推进,风电、光伏等新能源产业迎来历史发展机遇。而我国风电、光伏等新能源发电集中在西部地区,需要通过输电损耗最小的特高压输电将电力输送到电力需求集中的东南部地区。2022年5月,国家发改委和国家能源局发布《关于促进新时代新能源高质量发展的实施方案》,提出加快推进以沙漠、戈壁、荒漠地区为重点的大型风电光伏基地建设。加大力度规划建设以大型风光电基地为基础、以其周边清洁高效先进节能的煤电为支撑、以稳定安全可靠的特高压输变电线路为载体的新能源供给消纳体系。
“十三五”期间,国家电网累计投运“13交12直”特高压工程。“十四五”期间,国家电网规划建设特高压工程“24交14直”,涉及线路3万余公里,变电换流容量3.4亿千伏安,总投资3,800亿元。
综上,为适应我国输电技术的发展,我国变压器也向着高电压、大容量的方向发展。我国在网运行的交流输电变压器电压等级已达到1000kV,直流输电用换流变压器电压等级以达到±1100kV。在变压器容量方面,单相变压器容量已达到1000MVA、三相变压器容量已达到1330MVA。
②“双碳”目标下,加快构建新型电力系统:随着我国提出“碳达峰、碳中和”目标以来,国内新能源转型趋势持续加速。电力领域是我国碳排放的重要来源,根据中电联统计,2021年火电在全国发电量中的占比仍高达67%。为实现“双碳”目标,自“十四五”开始风电、光伏等新能源有望成为主要的电力装机增量。2021年10月26日,国务院正式印发《2030年前碳达峰行动方案》,方案中明确提出2025年我国非化石能源消费比重达到20%左右,单位国内生产总值能源消耗较2020年下降13.5%,单位国内生产总值二氧化碳排放较2020年下降18%;2030年非化石能源消费比重达到25%左右,单位国内生产总值二氧化碳排放较2005年下降65%以上。
但新能源如风能、太阳能等存在供应不稳定、波动大的缺点,分布式电源的并网也对电网提出新的挑战。为了应对由此产生的复杂情况,电网将向各环节数字化、调度环节智能化的柔性电网发展。考虑到新能源发电具有波动性的特征,我国逐步形成了以柔性直流为代表的新型输电技术,具备平稳输电波动性和上千公里远距离输送的能力。因此,在以新能源为主体的新型电力系统中,以柔性直流为主导的先进输电技术未来将有大量的应用。
2022年5月,国家发改委和国家能源局发布《关于促进新时代新能源高质量发展的实施方案》,提出“加快构建适应新能源占比逐渐提高的新型电力系统”。随着新型电力系统的加快构建,作为输电系统核心设备的变压器也将向着适应柔性电网输电要求的方向发展。
③对变压器节能降耗要求大幅提升:2020年5月29日,国家标委会、市场监督管理总局发布《电力变压器能效限定值及能效等级》(GB20052-2020),并于2021年6月1日正式实施。新的国标修订和整合了之前的两项国家强制标准GB20052-2013(三相配电变压器能效限定值及能效等级)、GB24790-2009(电力变压器能效限定值及能效等级)。在新标准下,各类电力变压器损耗指标下降幅度约在10%~45%,变压器新国标对能效口径的收紧将推动变压器的技术工艺升级以及行业格局的优化。
2020年12月,国家工信部、国家市场监管总局、国家能源局联合印发《变压器能效提升计划(2021—2023年)》。《变压器能效提升计划(2021—2023年)》中要求:1、到2023年,高效节能变压器符合新修订《电力变压器能效限定值及能效等级》(GB20052-2020)中1级、2级能效标准的电力变压器在网运行比例提高10%,当年新增高效节能变压器占比达到75%以上;2、加大高效节能变压器推广力度。自2021年6月起,新增变压器须符合国家能效标准要求,鼓励使用高效节能变压器;3、加快电网企业变压器能效提升。推动电网企业开展在网运行变压器全面普查,制定淘汰计划并组织实施。到2023年,逐步淘汰不符合国家能效标准要求的变压器。加快电网企业变压器升级改造,推行绿色采购管理,自2021年6月起,新采购变压器应为高效节能变压器。
根据中金企信国际咨询统计数据,目前我国在运行变压器超过1700万台,装机总容量约110亿kVA。其中,三级能效及以下在运行的变压器大概1000多万台,亟待升级改造。
④配电网的智能化建设进一步推进:根据国家发改委及国家能源局发布的《“十四五”现代能源体系规划》中明确提出要改造升级配电网,推进智能电网建设。智能电网的建设需全方位提升配电网监测和控制的智能化水平。在配电网控制体系中,变压器与用电设备直接连接,分布广泛,导致总耗巨大。因此如何降低变压器的损耗和确保变压器安全经济运行是智能电网进一步发展的重要环节。
对比传统的变压器,智能变压器可通过网络数字接口进行信息管理、状态诊断与评估、运行数据检测及故障报警等工作,实现关键状态参量的监测、控制与数据共享等,并具有良好的自适应能力以实现优化运行。
2022年5月,国家发改委和国家能源局发布《关于促进新时代新能源高质量发展的实施方案》,提出着力提高配电网接纳分布式新能源的能力。发展分布式智能电网,推动电网企业加强有源配电网(主动配电网)规划、设计、运行方法研究,加大投资建设改造力度,提高配电网智能化水平,着力提升配电网接入分布式新能源的能力。综上,在以上政策的推进下,对配电变压器也将向着智能化变压器的方向发展。
(5)高电压等级变压器用电磁线行业的发展状况及发展趋势:
①高电压等级变压器用电磁线基本情况:电网运输路线中的变压器与普通的家用电器和工业电机所处运行环境有较大的差异,变压器在电网运输线路中的重要地位决定了所使用的电磁线须具有更优的性能和更高的技术要求。高电压等级电网运输线路变压器所使用的电磁线几乎都使用扁线技术,扁线不仅能够提供更优良的散热效果、转换效率以及功率密度,而且相对比圆线能够大幅减小变压器体积,有效缩减变电站的建设成本和占地面积;由于电网一般采用油浸式变压器,其中所使用的变压器油存在较强的溶解性以及含有一定量的腐蚀性硫,因此变压器所使用的电磁线必须具备较好的耐变压器油的特性;电网线路中常发生短路现象,自然雷击也可能导致线路故障,在这些现象发生时,变压器中将产生较高的反冲电压形成强大的电磁力,温度将在短时间内快速提升,因此变压器用电磁线也需要具备较高的耐热等级以及较高的屈服强度,能够保证变压器在面临上述现象后继续正常使用。尤其对于换流变压器来说,换流变压器阀侧与直流相连,因此换流变压器不仅承受交流电压,而且还需要承受直流电压,这使得换流变压器与普通电力变压器在结构上有所不同,需要电磁线同时满足屈服强度高、高温粘结强度好以及导线整体弯曲刚性优良等技术指标。同时,随着电网建设输电电压等级的升高,变压器及其内部所使用的材料对上述指标的要求都在进一步提升。
②高电压等级变压器用电磁线发展状况:根据中金企信国际咨询统计数据,我国在网运行的高电压等级变压器对应使用的电磁线总量近十年复合年增长率保持7.37%的增长,电磁线累计使用总量从895,596吨增加至1,698,931吨。其中,交流变压器用电磁线累计使用总量从885,892吨增长为1,653,319吨,复合年增长率为7.18%;直流用换流变压器用电磁线累计使用总量从9,704吨增长为45,612吨,复合年增长率为18.76%。随着我国电网投资的推进,高电压等级变压器用电磁线累计使用总量稳步提升。
③高电压等级变压器用电磁线发展趋势:变压器用电磁线作为变压器的核心部件,未来也向着低碳环保、节能降耗的方向发展。同时,由于电磁线需要长时间的高电压、大电流的环境下运行,其性能指标向着更高机械强度、更耐高温的方向发展。
A、向节能降耗型方向发展:在“双碳”目标下,为了实现低碳环保、落实环境保护和资源节约的要求,我国在进行电网建设的同时,对变压器节能降耗的要求也越来越高。电磁线作为变压器的“心脏”,必须适应变压器的发展需求,因此也向着降低变压器线圈损耗、缩小线圈体积的方向发展。具体主要体现在如下几个方面:
a、电磁线向超薄厚度和小规格截面积发展:绕组导线处在交变漏磁场中,根据“楞次定律”,在闭合回路中产生感应电流(一般称为涡流),从而在导线中产生涡流损耗。单根导线在均匀磁场中产生的涡流损耗与导线沿绕组辐向的厚度平方成正比。所以,电磁线厚度越大则变压器线圈的涡流损耗越大,线圈温升也越高。电流具有集肤效应,即在交流电或变交电磁场下电流主要集中在导体表面移动,越靠近导体表面,电流密度越大,导体内部电流较小。因此,在相同导电截面积下,多根小规格截面积电磁线并绕可以通过更大电流强度。综上,变压器使用超薄厚度和小规格截面积的电磁线将成为发展趋势。
b、向多根数换位导线方向发展:随着电力行业的发展,变压器的容量越来越大,由电磁线绕制的线圈的体积也相应越来越大。由一根多根数换位导线代替多根导线并绕,可以简化变压器制造厂的绕制工艺。同时,多根数换位导线更加紧密,可以缩小变压器体积,达到降低变压器制造成本的目的。此外,多根数换位导线还可以增强线圈本身的机械强度,提高变压器抗突发短路的能力。
c、电磁线绝缘材料向超薄方向发展:变压器的电压等级越高,电磁线所需要的绝缘强度就越高。在使用目前绝缘材料的情况下,电磁线的绝缘越来越厚,电磁线的外形尺寸也越大,变压器的体积也随之增大,从而增加变压器的制造成本。因此,在不减弱电磁线性能的前提下,通过对现有绝缘材料进行改性或研发新的高强度绝缘材料,减小电磁线绝缘厚度将成为电磁线的未来发展趋势之一。
B、对机械强度的要求越来越高:电磁线作为变压器的核心部件,其性能直接影响变压器的性能指标。电磁线的屈服强度越高,则变压器的抗短路能力越强。目前,电磁线行业普遍采用机械变形的方式对电磁线进行硬化处理,以使其达到所需的屈服强度。但是,该硬化处理方式存在两个问题:一是在长期高温环境下,电磁线屈服强度稳定性差,在变压器长期运行后,电磁线屈服强度会出现下降趋势;二是目前的硬化方式所能达到的屈服强度数值较小,难以完全满足电力行业发展的趋势。因此,采用新材料来提高电磁线的屈服强度有望成为电磁线新的发展趋势。
C、需要具备良好的高温粘合性能:目前,变压器绕组采用的自粘换位导线其机械性能在常温下满足设计要求,但是在变压器长期高温运行时,由于自粘漆包线的粘结性能会有所下降,导致绕组的机械性能下降,当系统发生突发短路绕组受到很大的电磁力冲击时,容易导致线圈变形致使变压器产生故障,甚至引起火灾,严重的会造成供电系统崩溃。因此,为了满足超高压、特高压电网建设的发展需要,对高温自粘电磁线的研发将是一种发展趋势。