变压器所带实际负载与其额定出力之比称为变压器的负载系数。用 β表示。现假定不同负载下功率因数(用cosφ表示)近似不变。变压器运行的功耗率为:
显然,在功率耗率最低时工作效率便最高。将此状态下的负载系数称最佳负载系数。这说明运行中当变压器的实际铜耗等于铁耗时,便是处在最高效率状态。对恒定负荷或均衡负荷时段内也便是最经济状态。其设计结果必然使额定负载下的铜耗比铁耗大了约 4~7倍。故总有β<1。由于实际负载的波动,变压器使用时β常小于1。这利于取得变压器运行的经济性。
在最佳负载系数 β下运行时,功耗率最低。由于在恒定负荷时段内,功耗表征了每传递单位电量时变压器本身所消耗的电能。故此可理解为 “变电单耗 ”。在此前提下,功耗率最低也便是能耗率最低。对于变压器投运中的每时每刻都需尽可能争取处在或十分接近于最高效率状态下为最经济。而对大量存在的变动负荷,则要求在变动负荷时段(如年月或日)内其能损率最低,始为努力追求的经济运行目标。
在 β下运行时变压器的功损为其空载损耗(近似铁耗) 的两倍。故实践中推荐采用优质低耗变压器对运行极为有利,此为变压器的理想工作状态,也是实践中努力争求的目标。若能使变压器投用过程中,始终处于β(或近于β)状态下,则必然能取得最经济的效果。故实际工作中所采用的调整变压器负荷等许多技术措施,也都是为了尽可能实现或接近β状态下的最经济运行。
变压器的功率损失,功耗率(恒载时段内的变电单耗)及工作效率,都是负载系数的函数。在由空载到满载的闭区间定义域内,它们的典型特性曲线。可见,功率损失为一递增函数。随着负载增加,实际功率损失将逐渐增大;工作效率为一上凹曲线,由0起在β0。时达最高效率,此后便缓慢下降,但达满载时其效率也在95%以上;而功耗率变化正相反,是下凹曲线,在β0时出现最低值,随着负载增加而缓慢增高(满载时较β0状态下约增大20%左
右),负载降低时则急剧增高。同时可推求得功耗率与满载时相等的βi值(为P0/Pk,即变压时损失比的倒数也等于β02)。当实际负载率低于βj时,则功率将成几倍,几十倍地剧增,此状态下运行经济性极差。故 β0 确系为实现变压器经济运行而要捕捉并深入探讨的关键点。
变压器运行的经济性,需顺应 “工作效率最高→功耗率最低→实耗率最低”的模式来考虑。只有在尽可能长时间地使变压器工作在最高效率,最低功耗率状态下,求得全年、全月或全日变压器能耗率最低,方可取得最好的经济性,也才能称得上属经济运行。这是由于不讲工作效率的能耗最低,事实上是毫无实际意义的。因为绝不会将全年处于空载状态下的变压器算作是最经济运行。故运行经济性的前提必须首先建立在最低功耗率的基础上。最佳负载系数既有理论性,瞬时性含义,又具现实性与实用性意义,它是研究经济运行的基础与精髓。其现实意义可具体在:
1) 对于已投运的变压器可以据此判定其是否处于经济运行状态。这类变压器的额定容量已经选定,由其实际负载系数与β ′的差值情况即可认定运行是否经济。继之可采取调整负荷或更换合适变压器等办法以实现经济运行。可见表1进行比较计算得出论据。
2) 对恒定负荷及负荷变动甚小的变压器(如铝电解连继性用电行业,三班连续性生产用变压器)或其它分段性用电行业等负荷及分段负荷变化很小的变压器(如地区或地域性主变压器及三班制间断性生产的配变),在负荷基本恒定与均衡负荷时段内,诚如前面已指出的功耗率实质上可理解为变电单耗那样,若实际负载系数近于β′,则单耗最低,运行属最经济。在上述前提下,同样可反过来以此作为选择变压器适宜容量的依据。
3) 明确了 β′ 下变压器功耗率最低,效率最高这一观点就可以由此导出及建立变压器究竟运行在何种状态下方为经济的概念。对于负荷变动较大的地区或区域性主变,以及大量农村或城市单、双班生产用配变,则可通过具体反映实际负荷曲线不同波动性质与幅度的 “形状系数 ”来沟通与 β′ 的关系,以求其全年电能损耗率为最低而实现经济运行。
4) 通过对单台变压器所建立的最佳负载系数,最低功耗率与能耗率的经济运行观点,可进一步推出多台变压器并列实现经济运行的法则(即何时并列与何时切除等);可据此提出更换适宜容量的条件与选择方法,此外,还能由此引申选择一大一小的“母子变”及采用可调容量的“调容变”等措施的基本原则。