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1multipartxF8FF2百利电气超导限流全
百利电气面临重大发展机遇
——超导限流器研究报告
说明:
本文研究资料全部来自于公开资料,仅研究了公司最有潜力的超导限流器产品,未对其他产品进行深入分析。
主要内容:
天津百利机电机电集团和北京英纳云电拥有高温超导限流器技术并形成完整的自主知识产权,2009下半年将进入中国市场,高温超导限流器每台售价约80—100万元,预计未来高温超导限流器的造价约为50万元,每台效益为30—50万元。
与电网的断路器联合使用,我国每年市场约5万台,那么每年的市场容量是500亿。
倘若百利电气占到半壁江山,那么可以获得75—125亿的丰厚利润,扣税后利润为50—100亿,届时百利电气将发生质的飞跃!
投资要点:
近日由天津百利机电为主承担自主创新重大产业化项目:
35KV/90MVA饱合铁心型超导限流器经过一年多的挂网运行,通过了国内电力知名专家组的技术鉴定。
该限流器是目前世界上挂网运行电压等级最高、容量最大的限流器,处于同类限流器的国际领先水平。
目前世界上还没有形成真正的超导产业,超导限流器的生产厂商不多,百利是掌握核心技术并、拥有自主知识产权,具有产业化能力的垄断性公司之一。
目前瑞士、德国、美国和英国挂网超导限流器不超过20台,还没有进入成熟的商业阶段。
中国仅两台,一台在湖南省娄底电网高溪变电站10.5kV/1.5kA高温超导限流器试运行,再有就是天津百利机电的35KV/90MVA饱合铁心型超导限流器在云南普吉变电站挂网运行。
天津百利机电主为的35KV/90MVA饱合铁心型超导限流器成功运行并通过专家鉴定,在世界超导应用史上具有里程碑决义,标志着我国在超导应用方面处于国际领先水平,以及高电压等级的饱合铁心型超导限流器进入大规模商用阶段。
35KV/90MVA饱合铁心型超导限流器的研制过程中,获取了拥有自主知识产权的超导限流器生产技术和运行标准。
积累了生产高电压等级限流器的宝贵经验,目前天津百利机电正在总结经验,向更高电压等级限流器进军,着手220KV超导限流器的研制。
预计百利电气将在2009年6月份建立超导限流器工厂,9月份开始正式量产,10月份销售,从整个进程来看要比国家规划的时间提前6年。
超导技术是目前科技的最前沿,公司将是全球范围内的具有真正重大技术突破的,率先实现高电压等级超导限流器商业化应用的,技术壁垒极高的行业领导者,值得长期关注。
在国家加大电网改造,特别是高压、超高压、智能化电网建设中,公司业绩将面临暴发式增长。
长期来看,公司将走出国门参与全球市场竞争。
需进一步跟踪的问题:
超导限流器的市场容量,及公司商业化生产时间。
目录
一.概览1
(一)百利电气简介1
(二)百利电气未来核心竞争力:
超导限流器1
二、百利电气在超导限流器项目可能的股权关系2
三、超导限流器市场:
垄断格局3
(一)主要的竞争者3
(二)市场预测5
四、超导限流器发展脉络7
五、百利电气在超导限流器的技术细节8
(一)百利的超导限流器是什么类别?
9
(二)为什么选择云南挂网运行?
11
六、百利电气在超导限流器项目上的进展11
图1百利电气在普吉电站的超导限流器2
图2百利电气的超导限流器(35kV/90MV)2
图3中科院高溪电站高温超导限流器(概览)5
图4中科院高溪电站高温超导限流器(细节)5
图5超导市场预测6
图6应用超导技术大容量直流城市环网6
图7电阻型超导限流器9
图8感应型超导限流器9
图9电单相饱和铁心型超导限流器原理9
图1035kV超导限流器挂网样机9
图11220V单相超导限流器样机11
图12380V三相超导限流器样机11
一.概览
(一)百利电气简介
公司由天津液压机械(集团)有限公司,现更名为天津百利机电控股,作为主发起人,于2001年5月上市。
上市后经过一系列的业务调整,目前公司主要产品为塑壳断路器、万能断路器、开关柜、钨钼制品、互感器、观光梯及配套产品等,被天津市机电工业控股集团公司列为重点发展的“六大成套设备”之一,目前是国内输配电成套设备的骨干生产企业。
目前大股东天津机电控制(现名为天津百利机电控股),2008年销售额380亿,上市公司销售额6.2亿,扣除有色金属之外的主营收入仅为3.2亿,典型的大集团小上市公司。
集团公司自2007年以来已经明确将优质资产逐步注入上市公司,最终完成整体上市。
2009年3月28日公告:
本公司2008年3月28日召开的2007年度股东大会审议通过了公司非公开发行A股股票的相关议案。
截止目前该次股东大会决议的有效期限已届满。
有关非公开发行融资工作,公司将视市场情况择机继续推进,届时另行履行相应的审批程序。
这说明集团注入优质资产的工作仍在进行中。
公司与特变电工合资的天津特变电工(公司持股45%),2009年2月搬进新厂区(原厂区占地20亩,新厂区占地100亩),引进国际最先进的变压器生产设备。
主要生产干式变器及各种特种变器,是国内多晶硅冶炼变压器及风电变压器的主要生产者。
公司与国际主要风电生产商接处已经一年有余,2009年公司风电变压器在国际销售方面将有较大突破。
(二)百利电气未来核心竞争力:
超导限流器
限流器作用在于限制系统短路电流,防止电路过载。
电路的正常通流电流较低,但短路电流峰值很高,运行中可以使用相对较小的制冷机。
限流器安装在一条母线线路中,与现有的断路器并行(当然,这个断路器在测试时是断开的)。
当出现回路发生故障时,输电母线由正常通流状态变为故障短路状态,限流器必须限制线路中的短路电流。
随着电网规模的不断扩大,电网互联的程度越来越高。
然而,当输电网络的某一点发生意外短路或接地而产生的瞬时强大故障电流时,往往造成设备烧毁、人身伤亡及大面积停电事故。
超导限流器是在输(配)电网发生短路故障时能够将电网短路电流限制在设定的安全幅值之下的电力设备。
主要是利用超导体的超导态——正常态转变的物理特性,实现对故障短路电流的限制。
它集检测、触发和限流于一身,是电力系统理想的限流装置,可以降低系统短路电流水平,从而降低了对系统中所有电气设备尤其是断路器的遮断容量要求。
超导限流器与现有继电保护系统相结合,可以形成“继电保护系统+断路器+超导限流器”方案,从而组成一个更加可靠的保护控制系统,大大增强了对故障电流限制与防范的可靠性。
表1超导限流器特点与用途
应用及其原理
特 点
对电力工业的作用和影响
超导限流器—主要是利用超导体的S-N转变特性实现对故障短路电流的限制
正常时,阻抗为零,故障时,呈现一个大阻抗;
集检测、触发和限流于一体;
反应和恢复速度快;
对电网无副作用;
提高电网的稳定性;
改善供电可靠性;
保护电气设备;
降低建设成本和改造费用;
增加电网的输送容量;
超导限流器具有优异的限流特性,是目前电力系统高压电网理想的限流装置。
它具有以下几个特点:
稳态运行时低阻抗,对电网输送电力影响很小;短路发生时高阻抗,大幅度限制短路电流;.快速检测短路电流的发生,快速触发限流动作,整个限流过程可在几个毫秒内完成;限流后可快速恢复,满足电网重合闸的要求。
图1百利电气在普吉电站的超导限流器
图2百利电气的超导限流器(35kV/90MV)
二、百利电气在超导限流器项目可能的股权关系
三、超导限流器市场:
垄断格局
(一)主要研究及生产者
世界上没还没有形成真正的超导产业,超导限流器的生产厂商不多,目前瑞士、德国、美国和英国挂网超导限流器不超过20台,中国仅两台(分别在湖南省娄底电网高溪变电站和云南普吉变电站)挂网运行。
我们在超导限流器发展脉络部分将详细介绍超导限流器在国外的发展状态,并分析百利电气及国外的从业者的现状;本部分详细分析百利电气及国内行业者的情况。
2007年11月11日,百利电器与北京云电英纳超导电缆有限公司研发的35kV/1.2kA/90MW超导限流器是世界上挂网运行的电压等级最高、容量最大的超导限流器。
挂网地点是昆明普吉变电站基础平台,2009年4月29日并通过了严陆光院士、余贻鑫院士等7位专家组成的专家委员会的技术鉴定。
2004年云电英纳开始了饱和铁心型超导限流器的研究,已经完成了3台实验室样机的制作和试验。
系统测试表明,35kV超导限流器样机达到了设计要求,性能良好,在该种类型的限流器技术方面已处于世界领先水平。
中科院电工研究所——采用高温超导技术路线。
中国科学院电工研究所(主要负责人:
肖立业)从事高温超导限流器研究已经有9年历史,已经生产出10.5kV/1.5kA高温超导限流器样机。
2005年8月14日,中科院电工研究所副所长肖立业在湖南省娄底电网高溪110千伏变电站视察时宣布:
新型高温超导限流器研制与并网试验运行取得成功,我国电力高温超导限流技术达到了国际先进水平。
该高温超导限流器,利用高温超导线圈和电力电子投切装置,实现了对短路电流的限制。
正常状态时,这种高温超导限流器的阻抗值非常小,对系统运行不产生影响。
在系统发生短路故障时,该装置能够在2毫秒内做出反应,可以将短路降低80%。
在故障消除后,该装置能够自动恢复,以便于系统的正常运行。
通过各种运行前的各种测试,已经顺利投入湖南省娄底市电业局高溪变电站试验运行,其主要技术性能指标均达到了国际先进水平。
这是我国首台投入实际电网运行的高温超导限流器,也是继瑞士、德国、美国之后世界上第四台并入实际电网试验运行的高温超导限流装置。
该限流装置自投入实际电网以来,一直安全稳定运行,并先后经受3次短路故障的考验。
试验运行表明,该限流装置不仅能大大减少短路故障电流,而且具有响应速度和恢复速度快、正常态压降小的优点,基本上克服了国际上已有的高温超导限流器的缺陷,为促进高温超导限流器的实用化迈出了关键性的一步!
表2超导限流器主要技术参数对比
饱和铁心型超导限流器
高温超导限流器
相数
3相
3相
额定电压
35kV
10.5kV
额定电流
1.2kA
1.5kA
额定容量
90MVA(42000kVA)
31500kVA
未安装限流器时预期系统短路电流幅值[1]
40kA
20kA
加装限流器后限制到的短路电流幅值[2]
≤20kA
≤15kA
阻抗电压百分数
≤3%
不可得
限流响应时间
≤5ms
≤5ms
直流回路恢复时间
≤0.8s
≤0.8s
[1]从接收到触发信号到直流回路电流为零的时间;[2]从接收到重合闸信号到直流回路励磁电流恢复的时间。
图3中科院高溪电站高温超导限流器(概览)
图4中科院高溪电站高温超导限流器(细节)
需要特别注意的是,百利电气与中科院电工研究所研发的限流器存在很大的差别,前者在性能、技术和产能化条件方面都具有不可比拟的优势。
首先,百利电气产品是饱和铁心型超导限流器,对服役条件要求不苛刻,而中科院电工研究所的产品是高温超导限流器,其制冷系统对服役条件要求严格。
其次,二者在功能上存在很大的差别(见上表),百利电气之超导限流器能适应更高的电压35kV/1.2kA/90MW,其容量也是目前世界上最大的,而电工所之高温超导限流器为10.5kV/1.5kA,相比而言逊色许多。
最后,在产能化方面,百利电气之超导限流器能体积小(见图1和图2),比较符合现实的使用条件,因而具备产能条件且自身具有强大的生产能力;而电工所之高温超导限流器体积庞大、系统复杂(见图3和图4),因而其高温超导限流器距大规模差能化尚有一段距离。
(二)市场预测
1993年世界银行的国际超导工业峰会上预测,到2020年世界超导产品的销售总额将达244亿美元。
图5超导市场预测
图6应用超导技术大容量直流城市环网
超导和电力方面的专家普遍认为,在超导技术的电力应用中,超导限流器将率先实现商品化。
天津百利机电与云电英纳通过关键技术的研究突破,已完成35kV/90MVA挂网运行的饱和铁心型超导限流器的研制和并网运行。
35kV超导限流器研制成功,确立了我国在该领域的领先地位,标志着我国超导电力应用技术水平迈上一个新台阶,率先突破了饱和铁心型超导限流器技术发展上的世界性技术难题。
在不等截面铁心设计、速断直流励磁回路等方面实现自主创新,共取得13项国际和国内专利。
在项目研发过程中,研究人员对饱和铁心型超导限流器的关键技术难题进行了联合攻关,经过理论研究和多次的小型样机试验,发明了多项突破性创新专利技术,大幅度减小了限流器的体积、质量和成本,其运行损耗不及传统设备的十分之一。
目前,已申请相关专利8项,正在申请的还有4项,将饱和铁心型超导限流器技术推进到了可产业化的程度,为其未来的产业化进程开辟了道路。
2006年,“220kV/800A高温超导限流器的研究与开发”项目得到科技部“十一五”国家高技术研究发展计划(863计划)课题支持,天津百利机电与云电英纳正在致力于220kV超导限流器的研制,并将推动其产业化。
天津百利机电和北京英纳云电拥有高温超导限流器方面形成完整的自主知识产权,2009年将进入商业化运营阶段,220kV级(及35KV级)的高温超导限流器投资规模为3000-5000万元,每台售价80—100万元,预计未来高温超导限流器的售价约为50万元(220kV),每台效益为30—50万元;与电网的断路器联合使用,我国每年市场约5万台,那么每年的市场容量是500亿,倘若百利电气占到半壁江山,那么可以获得75—125亿的丰厚利润,扣税后利润为50—100亿,届时百利电气将发生质的飞跃!
就近期35KV级超导限流器最保守估计:
天津百利将在2009年量产,2010年产值约4亿元,年上交利税约2600万元,净利润将达5200多万元。
四、超导限流器发展脉络
国内外对超导限流器的研究已有很长历史,尤其是1986年发现高温超导体后,超导限流器在世界范围内引起广泛关注。
目前,国际上普遍认为,超导限流器将最先投入工业规模级的生产和应用,并且从价格及实际需求角度考虑,输电网将是其率先应用的最大场所。
据调查预测,超导限流器目前潜在的总市场容量约为500多亿元。
表3国外、国内超导限流器发展状况对比
应用
研究开发单位
主要技术参数
状况
国
际
瑞士ABB
三相磁屏蔽型,1.2MVA
试验运行
瑞士ABB
三相电阻型,10MVA
完成研制
美国LM公司
三相桥路型,2.4kV/100A
试验完毕
美国GA公司
三相桥路型,15kV/1.2kA
完成试验
美国LANL
三相可控桥,15kV/26MVA
试验运行
日本东京电力
三相电抗器型,66kV/750kA
研制阶段
日本Super-ACE
单相电阻型:
6.6kV/1kA
试验测试
美国IGC公司
三相矩阵型,138kV/1kA
研制阶段
欧洲NEXAN公司
三相电阻型,10kV/10MVA
试验运行
德国西门子公司
三相电阻型,7.2kV/100A
试验阶段
韩国DAPAS计划
三相23kV/1kA示范样机
研制阶段
美国休斯顿大学/德州电力
三相电阻型
研制阶段
国
内
天津百利机电控股
感应型,35KV/90MVA
完成测试
中科院电工研究所
10.5kV/1.5kA
试验运行
上表可见,目前天津百利机电控股是电压等级最高,并完成测试的唯一厂商。
1989年以来,美国、德国、法国、瑞士和日本等国家都相继开展了高温超导限流器研究。
美国从80年代后期就开始投入大量资金以支持从超导材料自身的产业化到材料应用的研究,截止到2001年投入大约4亿美圆进行高温超导技术在电力方面的应用研发。
先后推出了高温超导变压器,高温超导电缆,高温超导限流器,高温超导电动机等一系列工业样机。
美国通用原子能公司等已研制成功一台15kV/1.2kA超导故障限流器,它可将最大短路电流从20kA限制到4kA,即将短路电流限制到20%。
此外美国海军也投入了1亿多美圆进行了高温超导技术在舰船上的应用研究。
6500马力的电动机已经开始进行海上试验。
欧洲各国政府和各大公司也一直对高温超导技术的应用研发进行投资,Siemens公司重点开发的是车载变压器和故障限流器,同时进行的工作还有超导电机,变压器和超导磁悬浮轴承等。
瑞士ABB研究中心一直从事屏蔽型超导故障限流器的研究,1996年成功地研制出一台用Bi2212材料制成10.5kV/70A屏蔽型三相高温超导限流器,该限流器能在第一个半周波内将短路电流从60kA限制到700A,1997年它已安装在Lontsch变电站进行试运行。
ABB公司在2001年研制成功6.4MVA的电阻型超导限流器。
2002年,瑞士ABB研究中心又用Bi2212材料研制出0.8kA(rms)/8kV电阻型高温超导限流器,它可以将短路电流从20kA(rms)限制到2.7kA(rms),该限流器已在瑞士Baden的电力实验室试验成功。
德国国家研究中心(Karlsruhe)正在进行超导材料,超导限流器,超导储能,核原子聚变用超导磁体等方面的研究工作。
1999年,德国西门子公司与加拿大Hydro-Quebec电力公司合作完成了利用YBCO薄膜研制0.77kV/135A电阻型限流器。
他们在此基础上将进一步研制1.0MVA电阻型限流器。
德国卡尔斯鲁厄研究中心技术物理研究所和Nexans公司等合作,用Bi2212材料研制了10kV/10MVA电阻型三相高温超导限流器。
英国大力支持超导技术的发展。
2009年5月4日,耐克森公司向英国应用超导有限公司提供一台超导限流器,进行为期一年的试验运行。
目前,应用超导正在兰开夏郡的一个11千伏特变电站对该限流器进行安装和调试。
此项目由应用超导有限公司和三个输配电公司组成的一个财团承担。
该财团将在一个涉及英国配电网络的试点项目中安装三台超导限流器。
日本一直积极开展在高温超导电缆,变压器,飞轮储能,发电机,故障限流器等方面的研究开发工作。
其SuperconductiveACEquipment计划中高温超导电缆,限流器,磁储能器等项目均已进入样机试运行阶段.最近日本专家在"EUCAS20003"大会的报告中透露,日本政府今年在超导电力方面的投入增加了20%(增加到约6000万美元)。
韩国科技部也计划在未来10年中投资2亿美元进行超导电动机,变压器和电缆等应用产品研发。
五、百利电气在超导限流器的技术细节
目前的超导限流器主要包括两类:
电阻型超导限流器和感应型超导限流器。
图7电阻型超导限流器
图8感应型超导限流器
(一)百利的超导限流器是什么类别?
百利电气主要是感应型超导限流器,全称单相饱和铁心型超导限流器。
饱和铁心型超导限流器是电感型超导限流器的一种,国外对饱和铁心型超导限流器的研究历史已有二十多年,但其进展并不快,主要是因为传统的饱和铁心型超导限流器存在体积大、成本高、直流回路承受高压冲击等问题,这些都严重限制了其发展。
35kV/90MVA超导限流器挂网样机的设计研制于2006年下半年正式开始。
2007年3月-7月,完成了限流器加工、整体组装、出厂试验、初步调试、运输准备及安装现场改造。
2009年4月通过验收。
图9电单相饱和铁心型超导限流器原理
图1035kV超导限流器挂网样机
图7是这种磁饱和铁心型高温超导故障限流器的结构原理图。
其主要由带气隙的铁心饱和电抗器和超导直流偏置线圈两部分组成。
饱和电抗器是由两个带铁心的电抗器同向串联而成,每个铁心上的次级绕组是直流偏置超导线圈,且反向串联,偏置线圈放在液氮中。
电力系统正常时,交流线圈串联在输电线路中,超导线圈产生一个直流磁化场,使铁心处于深度饱和状态,此时交流线圈在电网中处于低阻抗状态;而当电力系统出现短路故障时,瞬间增大的电流产生的磁动势mmf(ac)随之增大,在限流器的一组铁心中mmf(dc)-mmf(ac)的值也同时减小,于是此铁心由饱和状态进入正常态,从而产生高阻抗,自动将电网中短路电流限制在预定值以下。
选择两个铁心是为了在正半周和负半周分别限制短路电流。
2003年8月以来,一些国家先后发生大规模停电事故,引起党中央、国务院领导的高度重视。
胡锦涛总书记指出,有备才能无患,应吸取美加停电事件的教训,认真研究电力系统安全问题,完善应急处理机制,确保电力生产和输配的安全。
国家电网公司和南方电网公司更是前所未有地高度重视电网运行安全可靠性水平的提高。
一般将超导转变温度高于液氮温度(77K)的超导材料称为高温超导材料。
Bi系超导线材是目前率先能够产业化生产的高温超导材料,其通电能力超过相同截面积铜导线的100倍以上。
因此,应用Bi系线材制备的超导电缆、超导变压器、超导电机,超导限流器,超导储能系统等具有常规产品无法比拟的重量轻、体积小、能耗低、容量大等优点。
超导限流器作为能够快速、平稳、有效地限制输配电线路的短路电流,解决电网过大的短路电流对系统和电气设备带来的危害,提高电网运行安全可靠性的高科技电力设备,面临一个前所未有的发展机遇。
超导应用技术产业正处于突破性进展前夜的关键时期,目前我国在超导各主要研究领域均有涉足,与世界先进水平之间的差距正日益缩小,某些方面处于国际领先地位。
作为超导技术研究及其应用产品开发的关键材料,2000年以前Bi系高温超导线材工业化生产的关键技术还只掌握在美国、日本、德国等世界上少数国家或厂商手中。
目前在中国已经实现高温超导线材大规模产业化,Bi系高温超导线材的年生产能力上200公里,质量达国际领先水平。
北京英纳超导技术有限公司在“十五”期间承担了“高性能、低成本的铋系高温超导线材制备技术”的目标导向性项目,研发了超导粉制备及新型粉末金属套管法的低成本线材生产技术,研制成功了具有实用意义的高绝缘性及高强度超导线材,为EAST计划(人造太阳)制备了17个15kA高温超导电流引线,为高温超导电机(十一五“863”重点项目)及高温超导限流器(十一五目标导向性项目)等重要应用提供了关键的超导线材。
2004年5月,北京云电英纳超导电缆有限公司投资立项饱和铁心型超导限流器的研制项目。
在不断的探索研究中,云电英纳开发的饱和铁心型超导限流器很好地解决了以前的饱和铁心型超导限流器存在的问题,使其实际应用成为可能。
2005年,“超导限流器”项目得到天津市科技创新专项支持。
同年,“超导限流器的研制和挂网运行”项目得到云南省科技攻关项目支持。
2006年,“220kV/800A高温超导限流器的研究与开发”项目得到科技部“十一五”国家高技术研究发展计划(863计划)课题支持。
在国家科技部、云南电网公司、天津市科委、云南省科委及各方领导的关心支持下,项目获得了多项独立的知识产权,使我国首次掌握了饱和铁心型超导限流器的设计、制造、安装和运行的技术。
图11220V单相超导限流器样机
图12380V三相超导限流器样机
(二)为什么选择云南挂网运行?
超导限流器优异限流特性能在电力系统高压电网上充分发挥。
中西部地区是国家重要的特高压电供给区域,所以选择西部更能体现超导限流器卓越的性能,也能在更苛刻的环境中检验其稳定性。
因此,中科院电工研究所选择湖南省娄底电网高溪变电站,而百利和云电英纳选择普吉变电站。
应当引起注意的是,最初北京英纳选择与云南电力合作也有此打算。
更为重要的是,云电英纳研制的超导电缆也同在普吉电站挂网。
超导电缆和超导限流器同步配合运行,寓意了中国未来超导技术将大范围在特高压电网中运用。
六、百利电气在超导限流器项目上的进展
该项目2005年在天津市科技创新专项资金立项,由天津市机电工业控股集团公司和北京云电英纳超导电缆
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