1、绝缘材料行业发展概况
(1)绝缘材料概述
根据《电工术语 绝缘固体、液体和气体》(GB/T 2900.5-2013/IEC 60050-212:2010),绝缘材料为低导电率的材料,用于隔离不同电位的导电部件或使导电部件与外界隔离,绝缘材料可以是固体、液体或气体,或者是它们的组合。
根据《电气绝缘系统的评定与鉴别》(GB/T 20112-2015/IEC 60505:2011),电气绝缘材料为具有可忽略不计的低电导率的材料,用于隔离电工设备中不同电位的导电部件;电气绝缘系统为用于电气设备的与导电部分结合在一起的含有一种或多种电气绝缘材料的绝缘组合。
绝缘材料主要系通过将带电的部分与不带电的部分或带不同电位的部分相互隔离开,使电流能够按指定的路线去流动,从而实现其基础的绝缘性能。此外,根据实际应用场景的需要,绝缘材料还能够实现储能、散热、冷却、灭弧、防潮、防霉、防腐蚀、防辐照、机械支承和固定、保护导体等作用。
通常情况下,发电机、电动机、变压器等电气设备主要由导体材料、磁性材料、绝缘材料和结构材料构成。除绝缘材料之外,其他材料主要为金属材料,电气设备在运行过程中,不可避免地要受到温度、电和机械的应力、振动、有害气体、化学物质、潮湿、灰尘和辐照等各种因素的作用。与其他材料相比,绝缘材料对这些因素更为敏感,容易变质老化,致使电气设备损坏,所以绝缘材料是决定电气设备运行可靠性的关键材料。
随着电气设备运行时间的延续,绝缘材料必然会发生老化,并且其老化速度相较于其他材料更快,所以绝缘材料也是决定电气设备使用寿命的关键材料。
绝缘材料作为电气设备的基础材料,随着我国国民经济的持续增长,国内生产总值及固定资产投资均逐年提高,绝缘材料下游多个领域市场规模均呈现出增长态势,带动绝缘材料行业市场规模扩大。
同时,随着行业内企业技术的日益成熟,国内绝缘材料产品的性能不断提升,在耐高压、耐高温、耐腐蚀、耐辐照、耐冲击、阻燃等方面取得了突出的成果,其应用领域已从基础电气领域更多拓展到轨道交通、风力发电、新能源汽车、家用电器、航天军工、核电水电等领域,未来发展前景广阔,行业内企业面临良好的发展机遇。
随着全社会环保意识不断增强,环保部门持续加大对化工类企业环保治理的监管力度,行业内企业环保投入随之加大。近年来,绝缘材料产品不断在向耐高压、耐高温、耐电晕、高导热、无卤阻燃型和环保型等方向发展,行业内企业也在不断提升技术水平、提高产品性能,从而顺应下游电气设备节能、环保的发展趋势。从长期来看,环保政策趋严有利于绝缘材料行业进一步规范,为生产经营符合环保规范的企业提供更大市场空间,推动行业内企业积极发展与应用环保生产技术,提升产品环保属性,满足下游客户对绝缘材料产品更高的环保及性能要求。
随着我国绝缘材料行业转型升级发展,行业内主流产品的产品性能不断提升,在替代国外领先产品的过程中实现了较大的进步,其中行业内企业已从单一产品供应为主流的服务方式逐渐向提供绝缘系统整体解决方案方向发展。
目前,行业内领先企业已经能够据下游客户的具体需求,为其提供相关产品配套研发等一体化服务,整个服务过程涵盖产品规划设计、工艺设备配置方案、产品定制化生产及后期维护的全流程,该服务模式现已获得了市场及下游客户的广泛认可。未来随着绝缘材料行业转型升级发展持续深化,能否提供绝缘系统整体解决方案将成为衡量行业内企业技术及整体实力的重要维度。
(2)绝缘材料发展概况
天然材料是电机中最早使用的绝缘材料,如具有绝缘性能的天然橡胶材料、天然虫胶材料等,该时期设计出的电机绝缘系统对人身和环境污染很小,但是用这些天然绝缘材料制成的电机不仅重量和体积都很大,而且电机的电气性能、机械性能、运行温度水平都很低。从 1920 年代后期开始,大量的合成聚合物被纷纷研制出来,并被当做绝缘材料广泛用于电机中,不仅大大降低了电机的重量和体积,而且有效提高了电机的安全性、介电性能以及耐热等级。
伴随着绝缘材料行业的不断发展,行业内企业技术持续进步,绝缘材料产品自身的主要性能已得到较大提升。同时,受到下游机电工业及电力电子技术发展的影响,市场对稳定、安全、环保绝缘材料的需求日益突出,绝缘材料行业内企业逐步将研发方向集中于耐高压、耐高温、耐电晕、高导热、无卤阻燃型和环保型绝缘材料等中高端绝缘材料。
为了满足下游客户对多种绝缘材料的应用需求,由多种电气绝缘材料组成的电气绝缘系统(Electrical Insulation System)逐步成为市场上主流的绝缘材料供应方式。以散绕组电机定子为例,槽楔、绝缘漆、云母带、柔软复合材料等绝缘材料产品需要同时组合应用在绕组的不同部位,形成绝缘组合。经过严格验证,在长期承受不超过该绝缘系统等级所限定的温度时,电气绝缘系统都不会发生绝缘性能的明显减弱。
电气绝缘系统主要是从实现电机整体绝缘效果的角度出发,通过绝缘系统设计、绝缘材料优选、经济合理组合及绝缘工艺优化,增强各绝缘材料之间的相容性,实现绝缘性能的最优化,提升电机的整体寿命。
同时,电气绝缘系统能够使下游客户节约绝缘材料的筛选时间,缩短检测周期、减少检测试验费用,从而降低电机的开发和生产成本。此外,绝缘系统供应商可针对客户的个性化需求提供完善、可靠的绝缘系统及绝缘工艺整体解决方案,为提高电机产品的可靠性、安全性提供了积极的保障作用。
目前,国际上只有少数绝缘材料大型制造企业具有完整绝缘系统的开发能力,如美国杜邦(DuPont)、瑞士丰罗(Von Roll)等公司,国内大部分绝缘材料生产企业受技术水平和生产成本的制约,生产的绝缘材料产品系列并不完整,还没有具备开发完整绝缘系统的能力,同时由于绝缘材料下游应用厂家并不涉及绝缘材料产品的生产,导致绝缘材料和绝缘系统的开发与应用无法形成有机的整体,因此加大电气绝缘系统的自主开发力度是摆在国内电机和绝缘材料制造厂商面前的一项非常重要的工作。
2、我国绝缘材料行业发展前景
绝缘材料行业的发展与下游应用领域的发展具有较强的相关性。随着行业技术水平的提高,具备高绝缘强度、耐电晕特性的产品不断出现,绝缘材料产品的应用领域已从传统电气绝缘逐步延伸到风力发电、轨道交通、工业电机、家用电器、新能源汽车、水力发电等领域,下游行业的蓬勃发展为我国绝缘材料行业提供了广阔的发展前景。
(1)风力发电领域
随着我国经济发展进入新常态,电力生产消费也呈现新常态特征,电力供应结构持续优化,风电产业发展迅速,目前我国已成为全球风电装机容量第一大国。根据全球风能理事会 GWEC( Global Wind Energy Council)发布的《2023 年全球风能报告》,2022 年全球风电行业创下新纪录,全球新增装机容量和累计装机容量分别为 77.6GW 和 906.0GW,其中累计装机容量较上年度同比增长 8.24%;我国新增装机容量和累计装机容量依然领跑全球,2022 年度新增陆上和海上风电装机容量均位列全球第一。
根据全球风能理事会 GWEC 预测,2023 年至 2027 年全球累计新增装机容量超过 680GW,其中我国累计新增陆上装机容量将达 300GW,继续保持领先。目前我国风电技术相对成熟,风力发电本身具有较高的成本效益和资源禀赋,未来随着我国风电行业技术的持续进步,风力发电将具有越来越强的竞争优势。
根据国家发改委于 2019 年 5 月 21 日发布的《国家发展改革委关于完善风电上网电价政策的通知》(发改价格〔2019〕882 号)文件,自 2021年 1月 1日开始,新核准的陆上风电项目全面实现平价上网,国家不再补贴。
根据财政部、国家发改委、国家能源局于 2020 年 1 月 20 日联合发布的《关于促进非水可再生能源发电健康发展的若干意见》(财建〔2020〕4 号)文件,新增海上风电不再纳入中央财政补贴范围,按规定完成核准(备案)并于 2021 年 12 月 31日前全部机组完成并网的存量海上风力发电项目,按相应价格政策纳入中央财政补贴范围。随着国家关于陆上风电和海上风电项目财政补贴政策的落地,国内风电行业迎来了国家补贴的最后阶段。根据中国电力企业联合会统计数据,2022 年度我国风电累计装机容量达 365.44GW,其中新增装机容量为37.63GW,累计装机容量创历史新高。
2022 年 1 月,国家发改委及国家能源局发布的《关于完善能源绿色低碳转型体制机制和政策措施的意见》提出,推动构建以清洁低碳能源为主体的能源供应体系。以沙漠、戈壁、荒漠地区为重点,加快推进大型风电、光伏发电基地建设。
2022 年 3 月,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》指出,大力发展非化石能源加快发展风电、太阳能发电。全面推进风电和太阳能发电大规模开发和高质量发展,优先就地就近开发利用,加快负荷中心及周边地区分散式风电和分布式光伏建设,推广应用低风速风电技术。
2022 年 5 月,国家发改委及国家能源局发布《关于促进新时代新能源高质量发展的实施方案》,旨在锚定 2030 年我国风电、太阳能发电总装机容量达到 12 亿干瓦以上的目标,构建清洁低碳、安全高效的能源体系。
2022 年 8 月,工业和信息化部等五部门联合印发的《加快电力装备绿色低碳创新发展行动计划》提出,将重点发展 8MW 以上陆上风电机组及 13MW 以上海上风电机组,研发深远海漂浮式海上风电装备。突破超大型海上风电机组新型固定支撑结构、主轴承及变流器关键功率模块等。
2022 年 8 月,科技部等九部门联合印发的《科技支撑碳达峰碳中和实施方案(2022-2030 年)》提出,研发碳纤维风机叶片、超大型海上风电机组整机设计制造与安装试验技术、抗台风型海上漂浮式风电机组、漂浮式光伏系统。受益于我国风电相关政策的支持,风力发电相关产业市场空间进一步扩大,作为风力发电机主要组成材料的 VPI 浸渍绝缘漆、高强槽
楔等绝缘材料,在风力发电机的绝缘、防腐等方面起到了非常重要的作用。未来随着我国风电新增装机容量的持续增长,整个行业对风电用绝缘材料的需求将持续增加,适用于不同风资源环境的产品定制化生产已成为行业发展趋势,具备更高绝缘、防腐等性能的绝缘材料产品将更加受到市场的青睐。
此外,随着我国风电行业风机单机容量逐渐向大型化发展,兆瓦级风力发电机的推广与应用也为风电用绝缘材料提供了更加广阔的应用空间,适配于大型风力发电机的绝缘材料也成为了行业企业的主要研发方向。
(2)轨道交通领域
随着我国的城市规模和经济建设的快速发展,城市化进程逐步加快,我国城市轨道交通建设取得长足发展。2022 年 1 月,国务院《“十四五”现代综合交通运输体系发展规划》提出,至 2025 年,综合交通运输基本实现一体化融合发展,高速铁路网对 50 万人口以上城市覆盖率达到 95%以上,城市轨道交通运营里程增长至 10,000 公里。
根据国家铁路局数据,截至 2022 年末,我国铁路营业里程已达 15.5 万公里,其中高速铁路营业里程为 4.2 万公里,占比已逐步增长至 27.10%,我国铁路营业里程和高速铁路营业里程均呈现出稳定增长趋势。
根据中国城市轨道交通协会数据,截至 2022 年末,我国共有 53 个城市开通城轨交通运营线路,运营线路总长度达 10,291.95 公里,其中地铁 8,012.85 公里、轻轨 219.70 公里、磁浮交通 57.86 公里;2022 年度,新增城轨交通运营线路长度 1,085.17 公里,继续保持快速增长。
2021 年国务院印发的《国家综合立体交通网规划纲要》提出,到 2035 年基本建成便捷顺畅、经济高效、绿色集约、智能先进、安全可靠的现代化高质量国家综合立体交通网,实现国际国内互联互通、全国主要城市立体畅达、县级节点有效覆盖。
2022 年 12 月,国务院印发的《扩大内需战略规划纲要(2022—2035 年)》提出,加快国家铁路网建设,贯通“八纵八横”高速铁路主通道,有序推进区域连接线建设,加快普速铁路建设和既有铁路改造升级。支持重点城市群率先建成城际铁路网,推进重点都市圈市域(郊)铁路和城市轨道交通发展,并与干线铁路融合发展。国家经济的稳定发展以及政府的大力支持,使得我国轨道交通建设规模逐步扩大。
近年来,我国轨道交通领域在建规模持续增长,建设规划规模持续处于高位。无溶剂有机硅浸渍漆等电气绝缘材料作为铁路机车牵引电机、磁悬浮旋转/直线电机等大功率电力机车高等级绝缘系统的关键材料,受到国家大力发展高速铁路、城市轨道交通等产业的积极影响,轨道交通配套绝缘材料产品的未来市场需求将被有效带动,绝缘材料市场规模有望进一步扩大。
(3)工业电机领域
机械加工技术是衡量一个国家装备制造水平的重要评价标准之一,而机床等工业设备的先进性是影响机械加工生产效率的重要因素。随着现代工业对于机械设备的生产效率要求的提升,以通用设备制造业、专用设备制造业等行业为代表的装备制造业已成为我国当前经济增长的新动能,用于驱动工业机械设备运行的电动机产品也亟需转型升级,向高效、环保等方向发展,这为电机行业的发展提供了巨大的市场空间。
2021 年 10 月,工信部、市场监管总局联合印发的《电机能效提升计划(2021-2023 年)》提出,引导企业实施电机等重点用能设备更新升级,优先选用高效节能电机,加快淘汰不符合现行国家能效标准要求的落后低效电机,加大高效节能电机应用力度。绝缘材料作为提升电机高效与节能水平的关键核心材料,有望借助高效节能电机的推广实现进一步发展。
根据国家统计局数据,2014 年至 2022 年期间,规模以上工业中装备制造业增加值占规模以上工业增加值的比重由 30.4%增长至 31.8%,占比稳步提升。2014-2022年规模以上工业装备制造业增加值占规模以上工业增加值的比重变化情况
2022 年 6 月,工业和信息化部等六部门联合印发的《工业能效提升行动计划》提出,到 2025 年,新增高效节能电机占比达到 70%以上,新增高效节能变压器占比达到 80%以上,新建大型、超大型数据中心电能利用效率(PUE)优于 1.3,工业领域电能占终端能源消费比重达到 30%。
随着我国装备制造行业已向着技术升级、节能环保、提效降耗的方向迈进,将有效推动电机行业市场需求稳步增长,而绝缘材料作为电动机、发电机等关键核心设备的配套基础材料,受到下游行业及终端市场发展的积极影响,未来市场规模亦将保持稳定增长趋势。
(4)家用电器领域
家用电器产品作为消费品,与居民的日常生活息息相关,消费市场潜力巨大。根据国家统计局数据,近年来我国主要家用电器产品的保有量呈稳步上升的态势,以洗衣机、电冰箱、彩色电视机和空调等主要家用电器为例,2022 年全国居民平均每百户年末拥有该等家用电器的数量分别为 99.0 台、104.2 台、118.9 台和 133.9 台,我国家电行业存量换新及新增市场规模空间较大。
此外,我国作为全球最大的家电出口国,在全球家电行业的地位持续提升,在国内消费升级和国外出口销量的拉动下,我国家电行业的市场规模有望保持稳定增长趋势。
(5)新能源汽车领域
当前,全球新一轮科技革命和产业变革蓬勃发展,汽车与能源、交通、信息通信等领域有关技术加速融合,电动化、网联化、智能化成为汽车产业的发展潮流和趋势,为新能源汽车产业提供了前所未有的发展机遇。经过多年持续努力,我国新能源汽车产业技术水平显著提升、产业体系日趋完善、企业竞争力大幅增强。
根据中国汽车工业协会统计数据,2022 年我国新能源汽车产量为704.10 万辆,占当年汽车总产量的比重为 26.08%,2015 年至 2022 年我国新能源汽车产量的年均复合增长率达 51.80%。
2020 年 10 月,国务院办公厅印发的《新能源汽车产业发展规划(2021-2035 年)》提出,到 2025 年,纯电动乘用车新车平均电耗降至 12.0千瓦时/百公里,新能源汽车新车销售量达到汽车新车销售总量的 20%左右,纯电动汽车成为新销售车辆的主流。2023 年 2 月,工信部、交通运输部等八部门印发的《关于组织开展公共领域车辆全面电动化先行区试点工作的通知》提出,试点期为2023 年-2025 年,进一步推进并带动全国加快公共领域全面电动化的步伐。
新能源汽车驱动电机在使用中受到汽车实际运行情况的影响,可能存在较高的运行温度以及较大的机械振动,这对其驱动电机的性能提出了更高的要求,同时也对配套绝缘材料的耐 ATF 油或水、无卤阻燃、耐电晕、耐热、耐高低温冲击等性能提出了更高的工艺要求。未来,伴随着新能源汽车的广泛推广与应用,新能源汽车用绝缘材料的市场需求也将更加旺盛,能够适用于更高比功率汽车性能的高性能绝缘材料也是行业内企业拟实现国产化的核心关键材料。
(6)水力发电领域
21 世纪以来,在我国西部大开发和西电东送的战略背景下,国内水电行业实现飞速发展,行业内企业在规划、设计、施工、装备制造、运行维护等水电工程技术上也逐步进入世界领先行列。2021 年 6 月,国际能源署发布《水力发电市场报告》指出,水电是低碳发电的支柱,为全球提供了六分之一的发电量、近一半的清洁电量。报告预测全球水力发电量将在 2021 年到 2030 年之间增长 17%,并将主要由中国、印度、土耳其与埃塞俄比亚来带动。报告指出,从目前的政策环境来看,到 2030 年中国仍将保持全球最大的水电市场地位,占到全球水力发电增长的 40%。
根据中国电力企业联合会统计数据,2010 年至2022 年,我国水电累计装机容量由 216.06GW 增长至 413.50GW,未来随着我国水电开发程度的提高,水电行业有望持续稳步发展。
中国水电还有较广阔的发展前景,根据水电水利规划设计总院提出的中国水电发展远景划,到 2030 年我国水电装机容量约为 5.2 亿 kW,其中常规水电 4.2亿 kW、抽水蓄能 1 亿 kW,水电开发程度约 60%;到 2060年,水电装机约为 7.0 亿 kW,其中常规水电 5.0 亿 kW、新增扩机和抽水蓄能 2.0 亿 kW,水电开发程度 73%,届时基本达到西方国家的开发水平。
2021 年 10 月,国务院印发的《2030 年前碳达峰行动方案》提出,因地制宜开发水电,积极推进水电基地建设。2022 年底,白鹤滩水电站 16 台机组全部建成投产,长江干流形成世界最大“清洁能源走廊”。以三峡水电站为代表的大型电站机组的单机容量均达到或超过 700MW,而发电机容量越大、额定电压越高,对发电机绝缘系统的考验越严峻。
绝缘结构及其组成材料作为水轮发电机制造的关键技术,随着水轮机组单机容量的提升、发电机组额定电压等级的提高,绝缘材料性能及工艺提升也面临着较大的挑战,目前行业内对高性能的硅钢片漆和真空压力浸渍(VPI)工艺用少胶云母带等材料的需求较为迫切,未来随着该等高端绝缘材料产品的推广及应用,有助于提升绝缘材料行业整体市场空间。