真空开关管的市场分析和发展趋势.doc

真空开关管的市场分析和发展趋势?工艺与应用?真空开关管的市场分析和发展趋势尹泉.,应文娟,李庆和(1.北京真空电子技术研究所,北京100015;2.中国真空电子行业协会,北京100015)developingtrendsandmarketinganalysisofvacuumswitchtubeyinquan一.yingwenjuan一.i.iqinhe(1.beijingv(uumelectronicsinstitute,beijing,100015,china:2.chineseassociationofvacuumelectron&industry,beijing100015,china)abstract:marketdevelopmentanditsenvironmentofvacuumswitchtubeisanalyzedbasedonquarterandannualindustryreportdata.somekeyfactorsinfluencedthequalityinmanufacturingprocessareresearched.wealsopresentsomethoughtsofswitchtubemarketandchancesourchineseassociationofvacuumelectronicindustry(cavei)encounteredinthispaper.keywords:switchtube,keytechnologies,market,developingtrends摘要:采用行业季报,年报数据对真空开关管行业的市场发展现状,产业发展环境进行了分析,研究了对制造过程中影响质量的关键因素,就开关管市场发展中存在的问题,对协会在产业发展中面临一些的机遇提出自己的想法和认识.关键词:真空开关管;关键技术;市场;发展趋势中图分类号:tm561文献标识码:a文章编号:10028935(2011)0401o6一o6中国经济持续快速发展带动了的电力需求稳定增长.进一步拉升了电力能源生产能力大幅度提高.同时对能源能源领域的安全和环保技术标准的要求日益提高.作为高压输配电领域广泛应用的核心器件真空开关管在未来电力市场中的发展机遇和合理定位是什么?哪些关键讯息影响市场,哪些关键技术在未来对行业的发展构成影响?我们需要什么样的政策?中国真空电子行业协会(以下简称协会)作为政府与企业问的桥梁发挥着提供行业信息服务,反映企业诉求,规范行业行为的作用.形成社会管理和杜会服务的合力,为业内企业提供国内外市场和行业发展趋势信息是他的重要职能之一.从我国电真空行业发展的历史不难看出,真空电子行业的产品在军事国防领域和国民经济领域的工业生产过程中始终占有重要的地位.其中,真空开关管(又称真空灭弧室)从典型煤炭行业应用发展到近10年来在电力行业广泛应用,并带动了相关的各电压等级真空开关管的科研和规模化生产活动.”1一一五”期问,在国家相关部门的支持下,经过圆!二各企业共同努力,克服了金融危机的冲击和原材料涨价以及管理成本的增加等不利因素,产量超过预期目标,真空开关管行业取得长足发展.据协会对23家规模较大的企业统计数据的初步测算:仅2010年度真空开关管的产量预计在338万只,比2005年的产量189.5万只,增长78,平均年增长率15.6.其中,中高压真空开关管产量185.4万只,比2005年的91.9万只增长101.30a;低压真空开关管产量153.4万只,比2005年的97.6万只,增长56.7.2010年真空开关管的销量315万只,比2005年的销量175.1万只,增长8o,平均年增长16,远远超过规划的预期目标.l真空开关管市场现状真空开关管(又名真空灭弧室)是真空断路器的心脏.它利用真空开关管内的真空环境特有的小空间距离间具有高绝缘电压的特点,并利用开关过程中触头与电弧离子流所形成的动态磁场达到快速熄弧并实现开断的目的.主要应用领域:电力输配电控制系统中,还应用于冶金,矿山,石油,化工,铁路,广播,通讯,工业高频加热等配电系统.相对于一般电力开关它体积小,寿命长,防爆性能优异,具有节能,节材,防火,维护费用低,运行可靠和低污染等特点.真空开关管根据其用途,使用场合及开断容量的不同,可分为真空断路器,真空负荷开关和真空接触器三种类型.由真空开关管构成的真空断路器已广泛用于电力部门中的变电站等电网设施中,真空开关管构成的负荷开关主要用于电网中广大的终端用户.“十二五”国家提出调整产业结构,提高能源效率,限制高能耗产业的发展,从政策上鼓励新兴低碳产业的发展.大力发展风电,水电,太阳能产业.因此,高可靠,低碳绿色环保型真空断路器成为首选.1.1世界和中国电力需求概况国际能源署(iea)指出,世界电能消耗的增长远快于能源的增长速度.预计20042030年全球一次能源消耗的年增速为1.6,而用电量的年增速为2.7.到2030年全球用电量将达30.12万亿千瓦时,发电机装机容量增加到63.39亿千瓦.中国的用电量从2000年的1.3556万亿千瓦时上升到2006年的2.8344万亿千瓦时,占全球的15(美国为21.56).仅2007年中国用电量就达3.2559万亿千瓦时,增幅为14.44.预计到2020年中国的用电量将达到6万亿千瓦时.另一方面,iea(国际能源署)指出,20042030年全球电力工业的投资预计高达11.28万亿美元,其中,输配电系统投资规模6.09万亿美元.在中国”十一五”期间电力电网投资为1.2万亿元l3j.进人新世纪后,在各方面的努力下,中国电力工业进入了历史上的高速发展时期,取得了瞩目的成绩.仅2005年投产发电装机就达到6500万千瓦,创当年投产装机规模的世界之最.中国电力工业的快速发展,为世界电力工业发展提供了巨大商机,为世界电力技术的开发,利用创造了难得的市场机遇.这几年,国际上许多知名的大型电力设备开发与制造企业,共享了中国电力工业发展的成果,业务也不断壮大.1.2开关管行业国内外市场现状真空开关管生产商在”十一?五”期间已经发展为40多家.形成的局面是产业的集中度降低,高,中,低端各企业自然分工形成.市场格局趋向于两极分化:外资(合资)企业产品占据高端,在关键技术产品上控制市场,在竞争性产品上”国产化”,降低成本,挤占中端市场;国内小型企业利用技术成熟且成本低的优势占领低端市场,并向中端市场渗透,中端竞争异常激烈.从国外制造厂家看,生产真空开关的大型企业主要有德国的西门子,美国伊顿,ge公司,法国的阿海珐,施耐德公司,日本的东芝,el立,三菱,明电舍,富士等.从世界市场看,真空开关在中压(1040kv)市场已占65以上,特别在美国,日本,德国真空开关占有绝对优势.日本真空开关已占90以上.国际市场上真空开关管在欧美发达国家基本上自给自足性产品配套,东亚,西亚,南亚,东欧多数有基础设施建设需求的国家存在大量潜在需求,年需求量不少于50万只5000万美元.中国产真空开关管的参数裕度大,性价比高,因此深受多数发展中国家欢迎.”十一?五”期间,真空开关管行业出口创汇已经具备一定的规模,年均超过1000万美元.(1)跨国企业在华的基本情况根据相关的报道和我们查阅的资料,外资企业主要有德国西门子(无锡)年产销能力约20万只;美国伊顿(西屋)(苏州)年产销能力约1o万只;法国阿海珐(厦门),年产销能力约1o万只;日本东芝白云(锦州)真空开关管有限公司,年产销能力10万只.abb,明电舍等也准备登陆中国市场.在中国的外资企业占领着60左右的高端产品市场和出口市场.该类企业在华营销特点是:控制高端产品,内部配套成品设备;向中端产品渗透,实行本土化(国产化);外资企业牢牢地控制着核心技术,不把关键技术转让给中国,造成本土企业在技术创新开发方面的一直滞后,这也是高压开关高档品市场一直为外企所垄断控制的原因.不仅在高端市场竞争,正向中端市场压来,在竞争性产品上”本地化”,降低成本,挤占中端市场;它将迫使国内企业技术,工艺,质量水平的大幅度提升,同时也造成国内企业竞相压价.(2)内资企业基本情况国内真空开关管主要生产商均源自电子行业军工性质的企业.尤其是中高压电压等级以上的真空开关管仍以电子行业”军工性质”企业(虽然有改制)为主,民营经济进入的比例不高,尽管经过了50多年的发展,由于专用设备投资额大,技术工艺水平要求高,真空开关管的主要生产商为电子行业的”五大光”;低压真空开关管(4kv以下)多以民营企业为主,产品质量仅保持一个基本使用水平,近年来质量有所提高;大容量(呈高技术特性)的低压真空开关管还未形成市场需求主流.国内电力系统需求基本q二固指定电子行业”五大光”产品.由于市场需求的膨胀,过去为20家不到的真空开关管企业,现在裂变,分解出现了等一批新企业;真空开关管生产商已经在”十一?五”期间发展为40多户.根据协会汇总的数据报表,我们对国内各大企业的开关管产量逐年进行了跟踪统计,2009年国产中高压真空开关管主要厂商产量统目前国内中,高压真空开关管产销量排名前列的企业为是宝光,旭光,宇光,汉光,华光等企业,年产量均超过12万只,最大的宝光年产量已突破32万只.他们的产销份额约占总市场容量63.中端真空开关管,市场容量大,竞争异常激烈.1.3产业动态与”十二?五”分析通过”十一?五”规划及以前几个规划期的开发,中国真空开关管技术和质量已经能满足国民经济各行业的基本需求.随着”十二?五”开局经济态势良好,电力产业持续稳定发展必将带动国有控制的电力系统中输,变,配电各环节同步发展,也必将带动其战略配套件真空开关管产业的快速发展.2009年全国发,用电量从年初严重下滑,年中企稳回升到年末大幅攀升,全年增速大于2008年,伞社会用电量增长为5.960a.全国发电装机容量达到8.74亿千瓦,全口径发电量36639亿千瓦时.全国电力建设投资规模继续保持较快增长,电源投资结构继续优化,火电投资比例大幅下降,核电,风电投资比例较大幅度增加;电网投资增长继续加快,投资规模占电力投资比例已达5o.90.2010年9月,国家发改委主任张平说,随着广东岭澳核电站二期工程一号机组投产,电力装机突破9亿千瓦,标志着我国电力工业发展又迈上了一个新的台阶.“十二五”期间,我国电力基本建设将继续保持较大投资规模,毕马威统计数据表明,中国的用电量在未来10年内将有较大幅度地提高.中国电力行业的发展是紧跟gdp增长,同时也将保持较快的增速.据国际能源署提供的数据,中国的用电量年平均增长率约为12.5,并且这一快速的上升趋势将一直持续到2020年.届时,中国总用电量预计将达到约6.4万亿千瓦时.数据显示,2000年中国人均电力消费仅为990千瓦时;而到2008年这一数字上升至24l6千瓦时,预计2020年,中国人均用电量将达到4500千瓦时.2制造过程中保证产品质量的关键因素由于真空开关管具有重量轻,体积小,电弧不外圆二露,适应恶劣工况和无环境污染等优点,作为电力开关的核心作用无可替代.目前,真空开关管已在电力系统中的中低电压等级输,配电开关中占据主导地位,将全面取代含油开关,sf6开关,而且还将向低压,高压,大容量等方向发展.迄今尚无更好的器件能够替代真空开关管.中国真空开关管与国外同类产品的差异主要表现在:在可靠性上还略显逊色,机械操作寿命还不够稳定,当寿命超过10000次时就更不稳定了,在储存期内存在真空开关管慢性漏气现象”一.生产,使用环境比较差(空调,卫生状况,检查等);用户对价格的敏感度超过性能;市场经济低层面运作;性能参数离散性大等.因此,进一步提高真空开关管的机械寿命和消除个别真空开关管运行中的漏气现象是提高真空断路器可靠性的关键.随着真空断路器及真空开关管的技术进步和工程经验的不断积累.真空开关管的品种和性能都在不断提高.2.1真空开关管的关键技术1893年美国rittenhause设计了第1个结构简单的真空开关管以专利形式发表后就引起了教授和专家们的重视.在1923年sorenson和mendelhall发现真空中金属蒸气汽电弧特性,认为在真空开断高电压大电流方面是一种完美的环境.并成功地在41kv下完成开断了926a的工频交流电流,并于1926年公布了研究结果真空开关管的设计与制造.虽然真空开关管的概念和原理相对简单,但在设计中以及制造过程中由于材料和设计手段的限制.真正工程应用还是在2o世纪6o年代以后,这主要得益于材料科学,真空技术等与真空开关管研制相关诸多技术得到较大发展的前提下所取得的.1966年英国eev成功开发了15ka,25ka,31.5ka的真空开关管.从此,真空开关管正式开始为电力工业服务.真空开关管的研发涉及到高电压电子光学系统,在磁场作用下的电弧等离子流动力学计算,热力学工程和材料科学等诸多领域.特别是中高压以上电压等级的真空开关管设计中必须综合考虑多重因素加以平衡取舍,方可得到可靠的,长寿命的解决方案.真空开关管主要四项关键技术分别是触头材料,电弧控制系统,开关管的结构以及开关管制造工艺.在制造阶段必须解决以下涉及产品性能和质量的制造技术和材料方面的难点:(1)高真空获得技术:这是真空开关管制造过程中最基础的也是最关键的瓶颈技术难点,它面向整个制造工艺过程.(2)长寿命技术:涉及真空开关管用波纹管材料,制造工艺,总成工艺等.(3)触头材料:是真空开关管的”心脏”,它影响着真空开关管的开断能力,电寿命和可靠性.(4)陶瓷管壳:与国际市场真空开关管需求相同步,是真空开关管的关键配套件.(5)波纹管:在真空开关管中起到保证动触头和静触头始终处于真空环境中的密封关键配套件.(6)主要工艺装备和检测技术真空开关管的设计和制造各环节不论哪一种技术,一个企业都很难完全攻克,都要联合学校,研究院所等单位,在研究,试验和配套件环节和企业配合优势互补.2.2与sf6开关管的对比分析与一次封排工艺把这项单列出来是因为世界各国高电压领域应用的高压断路器均以采用sf6断路器为主,我国更是如此.但是sf6气体的大量排放于大气中具有显着的温室效应,联合国1997年京都议定书>已决定将于2030年起严禁使用.由于真空开关具有明显的环保优势,因此,在高电压领域的市场,真空开关逐步取代sf6开关是大势趋势.从高压开关行业协会得到的数据,2010年高压开关行业统计了342户企业,2009年,612kv高压交流断路器中,真空已占99.39,sf6仅占0.61;40.5kv高压交流断路器中,真空已占84.3l%,sf6占15.69;27.5/55kv真空已占91.o9,sf6占8.91;72.5kv真空已占4.23;如图1所示.这些年真空断路器呈强劲的增长态势,而sf6则无明显变化.搿sf6一真窀h)0050(h】lj盛113(jlhm201)010(肿021)1年20(b年201:)5年2o07年2oo9年图120012009年40kvsf6断蹯器,真空断路器产量增长情况“十二五”期间,我国经济结构和增长方式都进行了大规模调整,倡导低碳,环保意识,绿色发电比重在增大,如水电,核电,风电与太阳能发电量也将加快增长.国家”十二五”规划重点支持的产业中,高速铁路以及高可靠智能电网建设名列其中,都将提振真空开关系列产品需求,而真空开关管是环境友好型的产品,作为电力开关的核心作用,必将更多挤占含油开关,sf6在高压领域的市场,是战略性配套件,但是由于成本较sf6高,目前用户缺乏运行经验,以及一系列技术问题,要取而代之还有很长路要走.3真空开关管的市场展望与新趋势根据国际能源署预测,20052030年全球累计电力投资将超过11万亿美元,其中输变电占54,累计投资额达6.1万亿美元.中国,东南亚,西亚,印度,中东及非洲等是最主要的电力增长地区,其中又以我国最为显着.国家电网已经与俄罗斯,哈萨克斯坦,蒙古等国家的电网企业签订了合作协议.南方电网已被国务院确定为大湄公河次区域电力合作的中方执行单位,2007年底,国家电网就曾通过竞标以39.5亿美元获得了菲律宾国家电网25年特许经营权,并于2009年1月完成了交接,开始正式运营菲律宾国家输电网.这是迄今为止中国在菲律宾的最大投资项目,也是我国电网企业首次获得境外国家级电网的运营权.与老挝,缅甸,泰国,柬埔寨等国的电力合作项目也不断取得新的成果j.中国即将兴建的中国与中亚,中东,东南亚的铁路线,将会带来更多的商机,频繁出现的矿难也让煤矿用真空断路器市场前景看好.这些项目对输配电设备及其上游的真空断路器市场极具吸引力.根据这几年开关管市场的发展情况,结合上下游企行业的未来发展情况,预计十二五期间真空开关管发展目标,如表l所示.按照这几年810的年增长率,预计”十二?五”期间,中,高压真空开关管年需求量峰值应在300万只以上.加上低压部份,可以预测,到2015年真空开关管需求量应在480万只以上,市场规模为48亿元以上.3.1发展环境分析“十二五”的规划制定中,业内专家们认为,国产真空开关管要想扩大市场,中国真空开关管今后发展重点应是:小型化,低成本,大电流,高电压,固封极柱,长寿命,专用化真空开关管.现在理论设计上的各种新方法借助先进的3d电磁仿真软件可以顺利模拟实现,重要的是完善科学地利用现有的材料和工艺设备和工艺方法制造出来.这需要多年的实践摸索和经验积累.是中国真空开关管与国外领先二四相比较需要改进的地方.表1”十二五”规划真空开关管发展目标年度2o1222o1o1503.45377.25201427012.5l706,2544l0中高压产量/tj-只增长率/低压产量/增长率/销售收入.亿元增长率,目前东亚,西亚,南亚,东欧多数有基础设施建设要求国家.有大量潜在需求,年需求量不少于50万只5000万美元.这些产品市场广阔.3.2技术发展动向随着真空断路器应用范围的扩大,真空电弧理论的发展和电场优化技术手段的提高使真空开关管体积缩小,由此带来真空开关管有一系列新的发展趋势.(1)真空开关管的小型化该项工作在国内外已经开展很多年,并已取得了一定的成效.德国caloremag公司新研制的vc2型真空断路器,其12kv,20ka的真空开关管的触头直径仅为40i1”11”i1,50ka的真空开关管触头直径为80mm;德国aeg公司最新推出的第三代真空开关管,其体积缩小至原来产品的l/3;日本东芝公司研制成功sade技术,使用该技术的真空开关管体积只有采用线圈式触头结构产品的一半一.美国通用电气公司和西屋电气公司等都是早期推广应用真空开关管串联组成高电压等级(双断口和多断口)的真空断路器应用于电力系统,最高电压甚至达到800kv.并取得可喜成果,1980年美国通用电气公司已正式生产了双断口的168kv,40ka的真空断路器.此外,日本三菱公司已研制成功270kv单断口真空开关管,并且准备发展500kv双断日真空断路器,一旦研制成功,估计其成本要比相同电压等级的sf6断路器低.在欧洲,俄罗斯于2004年已研制成功单断11的l26kv真空断路器,德国西门子公司和abb公司等亦相继研制成84kv的高压真空断路器,同时研制成126kv的真空断路器供出口用.(2)固封极柱技术采用apg技术,将真空开关管及其他的连接组件固封成极柱,极大地提高了真空断路器的耐候性.减小了相间距,使真空断路器的结构更加紧凑,体积更小.固封技术的应用,使真空开关管的外绝皿二q璺缘水平得到了强化,真空开关管的高度尺寸尤其是绝缘外壳的尺寸可以尽量缩短,在内部绝缘优化的基础上,真空开关管的体积也相应减少.但固封技术要求在真空开关管与缓冲层,缓冲层与环氧树脂之间形成良好的结合,不能有空气隙,否则很容易产生绝缘击穿.(3)提高真空开关管的开断能力主要研究集中在改进触头结构和触头材料方面.实践证明,采用纵向磁场触头结构可以使真空电弧在大电流下仍具有扩散型电弧的基本特性,即电弧电压低,电弧能量小,触头表面不会产生局部熔化.这无疑对弧后介质强度的恢复,提高开断能力是十分有利的.目前研制成功的纵磁触头主要有线圈,杯状,两极,四极及双线圈等五种纵磁真空开关管触头,但因剩余纵向磁场强度和磁场滞后时间,都不具有完美的性能.随着真空电弧仿真研究的发展,模拟仿真各种纵磁形式下的大电流形态,具有更好分断性能的纵磁触头也能相应研发成功.如前所述,目前真空开关管触头材料采用最多的是cucr合金,cucr材料具有十分优异的分断性能,因为cu具有低的热电子发射能力,良好的导热和导电性,而cr的硬脆特