高压直流输电系统继电保护原理与技术

高压直流输电系统继电保护原理与技术TOC\h\h目录\h第1章概述\h1.1直流输电系统的基本运行方式\h1.1.1直流输电系统的接线方式\h1.1.2直流输电系统的运行状态\h1.1.3直流输电系统的运行方式\h1.2直流输电系统继电保护的作用与任务\h1.2.1直流输电系统故障与不正常运行情况\h1.2.2直流输电系统继电保护的作用与任务\h1.3直流输电系统对继电保护的要求\h1.3.1选择性\h1.3.2可靠性\h1.3.3速动性\h1.3.4灵敏性\h1.4直流继电保护的种类与区域划分\h1.5直流输电系统继电保护的动作策略\h1.6直流继电保护的设计、配置与整定原则\h第2章换流器区保护\h2.1换流器区的构成\h2.2换流器区的故障分析\h2.2.1换流器区的故障类型\h2.2.2逆变器的换相失败\h2.2.3换流器阀短路故障\h2.2.4换流器直流侧出口短路故障\h2.2.5换流器直流侧对地短路故障\h2.2.6换流器交流侧相间短路故障\h2.2.7换流器交流侧相对地短路故障\h2.2.8换流阀本体及其控制系统故障\h2.2.9区内、区外故障或不正常运行状态引起的换流器过电压、过电流\h2.3换流器区保护的基本原理\h2.3.1换流器区保护的分类及与故障的对应关系\h2.3.2换相失败保护\h2.3.3短路保护\h2.3.4桥差保护\h2.3.5直流差动保护\h2.3.6阀组差动保护\h2.3.750Hz/100Hz保护\h2.3.8换流阀触发异常保护\h2.3.9交流/直流过电流保护\h2.3.10交流/直流过电压保护\h2.3.11直流低电压保护\h2.3.12交流低电压保护\h2.3.13大触发角监视\h2.3.14晶闸管监测\h2.3.15交流阀侧绕组接地故障监视\h2.3.16远方站故障检测保护\h2.4实际直流工程中换流器区的保护配置\h第3章直流母线区保护\h3.1直流母线区的构成\h3.2直流母线区故障分析\h3.2.1高压直流母线故障\h3.2.2中性直流母线故障\h3.3直流母线区保护\h3.3.1高压直流母线差动保护\h3.3.2中性直流母线差动保护\h3.3.3直流后备差动保护\h3.4实际直流工程中直流母线区的保护配置\h第4章直流输电线路保护\h4.1直流输电线路的构成与故障特点\h4.1.1直流输电线路构成\h4.1.2直流输电线路故障的特点\h4.2直流输电线路故障分析\h4.2.1直流输电线路故障的分类\h4.2.2直流输电线路故障过程的三阶段\h4.2.3单极运行方式下的线路对地短路\h4.2.4双极运行方式下的线路短路\h4.2.5直流输电线路极线间短路\h4.2.6直流输电线路断线故障\h4.2.7直流输电线路与交流线路碰线\h4.3直流输电线路保护的基本原理\h4.3.1直流输电线路保护的类型及与故障的对应关系\h4.3.2行波保护\h4.3.3直流输电线路微分欠压保护\h4.3.4直流输电线路纵差动保护\h4.3.5直流输电线路横差动保护\h4.4实际直流工程中直流输电线路的保护配置\h第5章接地极线路区保护\h5.1接地极线路区的构成与运行状态\h5.2接地极线路区故障分析\h5.2.1接地母线区短路故障\h5.2.2接地极引线短路故障\h5.2.3金属回线短路故障\h5.2.4接地极引线断线故障\h5.2.5金属回线断线故障\h5.2.6接地极线路区的过电流\h5.3接地极线路区保护的基本原理\h5.3.1接地极线路区保护的类型及与故障的对应关系\h5.3.2接地极母线差动保护\h5.3.3接地极电流不平衡保护\h5.3.4接地极过电压保护\h5.3.5接地极（接地极引线）过流保护\h5.3.6站内接地网过流保护\h5.3.7金属回线纵差保护\h5.3.8金属回线接地保护\h5.3.9接地阻抗监视\h5.4实际直流工程中接地极线路区保护配置\h第6章换流变压器保护\h6.1换流变压器的构成与运行状态\h6.2换流变压器的故障分析\h6.2.1换流变压器的主要故障类型\h6.2.2换流变压器的非正常状态\h6.3换流变压器保护的基本原理\h6.3.1换流变压器保护配置与故障的对应关系\h6.3.2换流变压器差动保护\h6.3.3换流变压器引线差动保护\h6.3.4换流变压器绕组差动保护\h6.3.5换流变压器零序差动保护\h6.3.6换流变压器过电流保护\h6.3.7换流变压器热过负荷保护\h6.3.8换流变压器零序电流保护\h6.3.9换流变压器过激磁保护\h6.3.10换流变压器饱和保护\h6.3.11换流变压器引线过电压保护\h6.3.12换流变压器中性点偏移保护\h6.3.13换流变压器距离保护\h6.3.14换流变压器断路器失灵保护\h6.3.15换流变压器本体保护\h6.4实际直流工程中换流变压器保护配置\h第7章交、直流滤波器保护\h7.1交、直流滤波器的配置与接线方式\h7.1.1直流滤波器的配置与接线方式\h7.1.2交流滤波器的配置与接线方式\h7.2交、直流滤波器故障及危害\h7.2.1直流滤波器故障及危害\h7.2.2交流滤波器故障及危害\h7.3交流滤波器小组保护\h7.3.1交流滤波器小组保护的分类和任务\h7.3.2差动保护\h7.3.3过电流保护\h7.3.4电容器过负荷保护\h7.3.5高端电容器C1不平衡保护\h7.3.6零序过电流保护\h7.3.7电抗器、电阻器过负荷保护\h7.3.8失谐监视\h7.4交流滤波器大组保护\h7.4.1交流滤波器大组连线保护的分类与任务\h7.4.2差动保护\h7.4.3过流保护\h7.4.4过电压保护\h7.5直流滤波器保护\h7.5.1直流滤波器保护的分类和任务\h7.5.2差动保护\h7.5.3过电流保护\h7.5.4电容器过负荷保护\h7.5.5高端电容器C1不平衡保护\h7.5.6高端电容器差流保护\h7.5.7谐波过负荷保护\h7.5.8失谐监视\h7.6实际直流工程中滤波器保护配置\h第8章高速开关保护\h8.1直流系统的高速开关配置及功能\h8.2直流高速开关的基本原理\h8.3高速开关失灵和不正常分断\h8.4直流高速开关保护\h8.4.1高速中性母线开关保护\h8.4.2高速接地开关保护\h8.4.3金属返回转换开关保护\h8.4.4金属返回开关保护\h8.5实际直流工程中的高速开关保护配置第1章概述高压直流输电系统从结构上可以分为两端直流输电系统和多端直流输电系统两大类。目前，世界上已经投运的直流输电系统绝大多数采用两端直流输电，多端直流输电主要在意大利—撒丁岛、魁北克—新英格兰及日本的新信浓等直流输电系统中得到了采用。两端直流输电也是我国目前所采用的唯一直流输电形式。在本书中仅讨论双端直流输电系统的继电保护。两端直流输电系统有单极系统、双极系统和背靠背系统三种类型。一般单极系统仅作为双极系统建设过程中的一种过渡形式，或者双极系统在一极故障停运情况下的特殊运行状态。背靠背系统是输电线路长度为零的特殊单极/双极系统，主要用于实现非同步（不同频率或频率相同但非同步）电网的互联。本书的所有内容均以双极系统为背景，所阐述的保护设计、整定、配置原理与方法对于单极系统和背靠背系统同样适用。1.1直流输电系统的基本运行方式1.1.1直流输电系统的接线方式直流输电系统的接线方式，指由直流输电线路、接地极及其引线、站内接地网、金属线路等所构成的直流功率传输回路形式。通过改变直流场设备（断路器、隔离开关、接地开关等）的状态，能够实现直流输电系统接线方式的转变，为直流功率配置合适的传输回路，以适应直流输电系统的不同运行需求。双极直流系统共有三种接线方式，分别为双极双端中性点接地方式（简称双极方式）、双极一端中性点接地方式和双极金属中线方式。直流系统采用后两种接线方式的可靠性、经济性、灵活性都比采用双极双端中性点接地方式要差，在实际直流工程中很少采用。我国目前所有直流工程全部采用双极方式，如图1-1所示。图1-1双极直流系统双极运行接线方式1—换流器；2—平波电抗器；3—直流滤波器；4—接地极引线；5—接地极；6—直流高速开关；7—隔离开关；8—直流输电线路双极方式直流系统由两个独立运行的单极大地回路系统组成，正负两极的功率回路均由换流器、直流输电线路、接地极及其引线以及大地构成。两极在大地中的电流方向相反，流过大地的电流为两极电流差值。双极对称运行时，两极电流相互抵消，流过大地电流为零。双极不对称运行时，流过大地的电流为双极不平衡电流。双极方式直流系统一极发生故障退出工作时，剩余健全极相当于单极直流系统。此时根据实际情况，也有三种接线方式可供选择：单极大地回线方式、单极金属回线方式和单极双导线并联大地回线方式，如图1-2所示。单极大地回线方式，利用一根导线和大地（或海水）构成直流侧的功率传输回路。两端换流站均需通过接地极引线及接地极连接到大地（或海水），流过大地（或海水）的电流为直流输电系统的运行电流。单极金属回线，利用2根导线构成直流侧的功率传输回路：一根导线为本极输电线路；另一根导线为对极输电线路。两端换流站有且只能有一端接到站内接地网，为直流系统提供参考电位，流过两根导线的电流为直流输电系统运行电流。图1-2单极系统/双极系统单极运行接线方式（a）单极大地回线方式；（b）单极金属回线方式；（c）单极双导线并联大地回线方式

1—换流器；2—平波电抗器；3—直流滤波器；4—接地极引线；5—接地极；6—开关；7—隔离开关；8—直流输电线路；9—站内接地网单极双导线并联大地回线方式，与单极大地回线方式的原理基本相同。只是其将另一极直流输电线路与本极直流输电线路相并联，以降低线路损耗。1.1.2直流输电系统的运行状态直流输电系统的每一极都有接地、停运、备用、闭锁和解锁五种运行状态，以适应直流输电系统复杂的检修、启停、运行需求。五种运行状态的转换关系如图1-3所示。图1-3极运行状态间的转换关系解锁状态是极的最高运行状态，阀控系统释放触发脉冲，各换流阀按照预定顺序轮流触发导通，交流滤波器投入运行，直流系统正常传输功率。解锁状态下，直流系统只能首先切换到闭锁状态，才能进一步切换到更低级别的运行状态。闭锁状态是比解锁状态低一级别的运行状态，此时阀控系统闭锁触发脉冲，交流滤波器退出运行，直流系统传输功率为零。闭锁状态下，可供选择的切换状态包括高级别的解锁状态、低级别的备用和停运状态三种。备用状态下，换流变压器（换流变）交流侧开关断开，换流变进行放电，换流变冷却系统、平波电抗器冷却系统关闭。备用状态下，可供选择的切换状态包括停运和闭锁两种。停运状态下，换流变交流侧隔离开关分开，阀冷却系统关闭，直流滤波器退出。值得注意的是，直流系统可以由闭锁状态直接切换到停运状态，但是由停运状态不能够直接切换到闭锁状态，必须先切换到备用状态，才能够进一步向更高级别的运行状态转换。接地状态是极的最低运行状态，可供选择的切换状态只有停运状态。接地状态下接地开关处于合位，只有此时才能打开阀厅大门，进入阀厅对设备进行检修。正常情况下五种运行状态的转换都是在自动方式下进行的，只要操作人员发出相应状态的指令，系统自动分合断路器、隔离开关、接地开关和投入、退出设备，使直流系统按照预定的状态转换顺序逐渐切换到所要求的运行状态。当自动顺序无法执行时，操作人员也可以手动进行配置。1.1.3直流输电系统的运行方式直流输电系统的运行方式，指直流输电系统处于解锁状态下，稳态运行时的电压、电流状态和功率传输方式，与直流接线方式、功率传送方向以及直流电压、电流状态有关。根据直流接线方式不同，直流输电系统共有六种运行方式，分别为双极双端中性点接地运行方式、双极一端中性点接地运行方式、双极金属中线运行方式、单极大地回线运行方式、单极金属回线运行方式、单极双导线并联大地回线运行方式。对于双极直流系统，正常情况下均采用双极双端中性点接地运行方式，只有当一极故障退出运行时，才根据实际情况选择合适的单极运行方式。根据功率传送方向不同，直流输电系统有功率正送和功率反送两种运行方式。在运行过程中通过控制系统作用，可以方便地进行两种运行方式切换，实现潮流翻转，这样既可以在正常运行时按照经济性的原则调节功率传输的大小和方向，而且可以在一端交流系统故障时，从另一端交流系统进行紧急事故支援。直流输电系统在运行中可以选择额定电压运行方式或降压运行方式。需要降压运行的两种情况是：（1）绝缘问题的需要。在恶劣的气候条件或严重污秽的情况下，直流系统运行于额定直流电压会导致一次设备的较高故障率。为了提高直流系统运行的可靠性，此时可采用降压方式运行。（2）无功控制的需要。当直流输电系统被用来进行无功功率控制时，需要增大触发角α来增加直流系统消耗的无功功率，此时直流电压会相应降低。双极直流系统根据两极电压、电流是否相等，又可以分为双极对称运行方式和双极不对称运行方式。双极对称运行方式下，两极的电压、电流以及传输功率均相等。双极不对称运行方式有双极电压不对称，双极电流不对称和双极电压、电流均不对称三种类型。在双极对称运行方式下，换流器、接地极等一次设备的运行条件最好，正常情况下均选择这一运行方式。只有当一极设备故障，需要降低直流电压或直流电流时，才会根据实际情况选择合适的不对称运行方式。1.2直流输电系统继电保护的作用与任务1.2.1直流输电系统故障与不正常运行情况直流输电系统中的一次设备在运行过程中由于外力作用、绝缘老化、过电压、过电流、误操作、设计制造缺陷等原因会发生短路、断线、器件损坏等故障。短路故障可能发生于一次设备的接线端之间、接线端与大地之间、设备内部，以及设备本体与大地之间，包括换流器主接线回路短路、直流母线短路、直流输电线路短路、接地极引线短路、换流变压器绕组短路、换流变压器与换流器连接线短路、金属回线短路等。断线故障一般发生于直流输电线路、接地极引线和金属回线上。常见的器件损坏故障包括，换流器阀片损坏、滤波器电容元件损坏、直流断路器无法断弧等。直流输电系统的不正常运行情况，指非一次设备故障条件下，直流系统和相关一次设备运行条件超出设计范围等，包括系统功率振荡、设备电压过应力、设备电流过应力等。例如，受端交流系统出现较大功率缺额、直流系统进行紧急功率支援时直流线路潮流超出其额定上限（过负荷），控制系统故障引起直流功率振荡等。直流输电系统的控制保护系统故障、辅助系统故障以及交流系统的故障和不正常运行都有可能导致直流系统的不正常运行情况。直流输电系统故障和不正常运行情况，最直接的影响是造成一次设备损坏，若处理不当，还可能引起直流系统单极甚至双极闭锁事故。作为重要的区域联系纽带和大容量功率传输通道，直流输电系统一旦发生单极或双极闭锁，将给两端交流系统带来巨大冲击，有可能造成事故的进一步扩大，引发大面积停电。1.2.2直流输电系统继电保护的作用与任务在直流输电系统运行中，应积极采取各项措施避免系统的不正常运行，消除或减少故障发生的可能性。而故障和不正常运行情况一旦发生后，必须采取合适的处理策略，保护一次设备安全，将故障和不正常运行情况对电力系统的影响限制到最小范围。直流输电系统继电保护，是电力系统继电保护的一个子集，包括直流继电保护技术和由各种直流继电保护装置组成的直流继电保护系统，涵盖直流继电保护的设计、配置、整定、调试等技术，以及所有相关的测量、动作、通信等具体设备。直流输电系统继电保护的任务是：（1）及时、准确地检测直流输电系统的所有故障类型，自动、快速、有选择性地将故障元件从直流输电系统中切除，使故障元件免于继续遭到损坏，保证其他无故障部分迅速恢复正常运行。（2）反应直流输电系统的所有不正常运行情况。检测到直流输电系统不正常运行后，继电保护一般不要求立即动作，而是根据其危害程度规定一定的延时，以避免短暂干扰造成的保护不必要动作。广义的直流输电系统继电保护，需要保护从送端交流母线到受端交流母线范围内的所有一次设备，包括交流母线、交流滤波器、换流变压器等交流设备以及换流器、平波电抗器、直流线路、接地极线路、高速开关、直流滤波器等直流设备，并且能够反映相关设备的不正常运行情况，如过电流、过电压、触发角异常等，如图1-4所示。狭义的直流系统继电保护，只包括直流输电系统中两侧换流站之间的直流部分继电保护，不包括换流变压器、交流滤波器、交流母线的保护。图1-4直流输电系统继电保护的范围1—换流站交流母线；2—换流变压器；3—交流滤波器；4—换流器；5—平波电抗器；6—接地极引线；7—接地极；8—直流滤波器；9—直流输电线路1.3直流输电系统对继电保护的要求与交流继电保护类似，直流继电保护一般也应满足“四性”的基本要求——选择性、可靠性、速动性、灵敏性。1.3.1选择性直流输电系统继电保护的选择性，指直流输电系统中发生故障或不正常运行情况时，应由故障设备本身的保护动作，采取合适的保护动作策略清除或隔离故障，只有当该保护启动或动作失败时，才允许相邻设备保护动作。在图1-5所示的直流输电系统中，极一输电线路K点发生对地短路，极二没有发生故障。按照直流继电保护选择性的要求，应由极一的线路保护动作将故障清除，在整个过程中，极一其他保护以及极二所有保护均不应该动作。1.3.2可靠性直流输电系统继电保护的可靠性，包括可依赖性和安全性两个方面。可依赖性，指各直流保护对于应该动作的故障和不正常运行情况，应可靠动作，不能拒动。安全性，指各直流保护对于不应该动作的情况，应可靠不动作，不能误动。对于所有威胁到一次设备安全和电力系统运行的故障和不正常运行情况，直流继电保护必须保证不拒动，以保护设备安全，并尽量减小对交、直流系统的冲击。直流输电系统作为重要的区域联系纽带和大容量功率传输通道，继电保护一旦发生误动，导致单极或双极闭锁，将给两端交流系统带来巨大冲击，因此必须杜绝直流继电保护的误动作。图1-5双极直流系统，一极输电线路对地短路1.3.3速动性快速地清除或隔离故障，既有利于保护一次设备的安全，也有利于防止故障发展成为事故，以及在事故发生后抑制事故的进一步扩大。直流输电系统的故障清除或隔离时间，等于直流继电保护出口时间与保护动作执行时间之和。提高直流输电系统继电保护的速动性应从下面三方面入手：①采用快速保护作为主保护；②合理缩小主保护和后备保护的时间差；③选择合适的保护动作策略，缩短保护动作执行时间。1.3.4灵敏性直流继电保护的灵敏性，指保护对故障和不正常运行情况的反应能力，习惯上常称作灵敏度。为准确反映故障和不正常运行情况，保护故障设备和非故障设备的安全，直流继电保护装置都应该有足够高的灵敏性。直流保护装置的灵敏性，一般用灵敏系数来衡量，其与保护装置所采用的原理以及被保护元件的类型、直流系统参数和运行方式等有关。这一问题将在后续章节中针对各个保护分别予以详细讨论。直流输电系统继电保护的“四性”要求是矛盾统一、相互制约的整体，一般难以同时满足四个要求，某一方面性能的提高经常以牺牲其他性能为代价。在直流继电保护的设计、配置与整定中，应根据故障类型及其可能造成的危害，决定“四性”中的着重点。鉴于直流输电系统的结构和运行特点及其在电力系统中的特殊地位，“四性”协调应当遵循在保证一次设备安全的基础上，尽量缩小故障范围，减小对交、直流系统冲击的总原则。1.4直流继电保护的种类与区域划分直流输电系统发生故障或不正常运行情况时，将伴随着触发角、电压、电流、阻抗、功率、谐波等电气量的异常。利用其与正常运行时相关电气量的区别，可以构成不同原理的保护，包括过电压保护、过电流保护、低电压保护、大触发角保护、行波保护、谐波保护、差动保护（包括纵差动保护、横差动保护以及其他采用差动原理的保护）等。将这些保护原理应用到直流输电系统之中，可以实现对所有一次设备以及系统不正常运行情况的保护。按照被保护对象的不同，直流继电保护可以分为反映设备运行状态的交流母线保护、交流滤波器保护、换流变压器保护、换流器保护、高压直流母线保护、中性直流母线保护、平波电抗器保护、直流输电线路保护、直流滤波器保护、接地极母线保护、接地极线路保护、高速开关保护等。直流继电保护目前主要有三种划分方案，分别如下：（1）方案一：如图1-6所示，视具体直流工程不同，交流部分的分区可能有所差别，直流部分的保护分区是基本一致的。图1-6直流输电系统保护分区（方案一）1—交流母线区；2—交流滤波器区；3—换流变压器区；4—换流器区；5—直流滤波器区；6—直流母线区（包括高压直流母线和中性直流母线）；7—接地极线路区（包括接地极母线和接地极线路）；8—直流线路区；9—高速开关保护（2）方案二：如图1-7所示。同样，不同直流输电系统的交流部分分区可能有所差异，直流部分分区相同。图1-7直流输电系统保护分区（方案二）1—交流母线和换流变压器区；2—交流滤波器区；3—换流器区；4—极保护区（包括直流开关保护、高压直流母线保护、中性直流母线保护、直流线路保护和直流滤波器保护）；5—双极保护区（包括接地极母线保护和接地极线路保护）（3）方案三：由换流变压器区、交流滤波器区、换流器区、直流滤波器区、极保护区（包括直流开关保护、高压直流母线保护、中性直流母线保护、直流线路保护）、双极保护区（包括接地极母线保护和接地极线路保护）等构成，保护分区同图1-7基本相同。本书采用方案一保护分区方法组织全书结构。共分七章对除交流母线保护外的其他八个保护区进行阐述，交流母线保护可参看其他交流系统继电保护书籍，本书不作介绍。1.5直流输电系统继电保护的动作策略直流输电系统继电保护除了能够直接作用于断路器外，还可以通过控制系统间接作用于断路器进行故障清除，或者利用控制系统不通过断路器直接清除故障。直流控制系统为直流继电保护提供了多样的保护动作策略。对于瞬时性的轻微故障或系统不正常运行情况，直流继电保护可以仅通过极控、阀控系统的相关操作，使得直流系统继续稳定运行。当发生严重故障或永久性故障时，直流继电保护可以通过控制系统快速抑制故障的发展，但此时直流系统已经不能继续稳定运行，需要进行系统停运、隔离故障设备。直流保护系统与直流控制系统的密切配合，可以在最大程度上限制故障和不正常运行情况对直流系统、两端交流系统以及相关设备的危害程度。列举常见的直流输电系统继电保护动作策略如下：（1）告警。告警的动作定值一般较低，用于对设备安全和系统运行具有潜在威胁的情况。利用灯光、音响等方式，提醒运行人员及时采取措施使设备状态或系统运行恢复到正常状态。（2）移相。阀控系统一旦接收到移相命令，即延时发送下一个脉冲触发脉冲，从而增大触发角。在整流侧，通过移相操作可以迅速增加触发角到90°以上，使其变到逆变状态，从而熄灭直流故障电流。在逆变侧，通过增大触发角，使得逆变器运行于最小换相裕度状态，可以限制流过逆变器晶闸管的故障电流。（3）投旁通对。投旁通对一般在逆变侧执行，通过阀控系统保持最后导通的那个阀的触发脉冲，同时发出与其同一相的另一个阀的触发脉冲，闭锁其他阀的触发脉冲，使直流电压迅速下降到0。投入旁通对后，提供了换流器的直流电流旁路回路，一方面隔离交、直流系统，缩短直流电流分量流过换流变的时间，便于交流侧断路器快速跳闸；另一方面降低了整个直流系统的回路阻抗，便于整流侧的快速移相及闭锁。当通信系统故障时，逆变侧同旁通对使得整流侧电压下降，为整流侧的相关保护动作提供了显著的故障特征量。（4）禁止投旁通对。在某些特殊故障情况下，投入旁通对不仅不利于清除故障，甚至可能会造成故障扩大，例如逆变侧直流极母线差动保护。因此，有时需要禁止投入旁通对。（5）故障重启。故障重启主要用于清除直流输电线路、接地极线路等的瞬时性故障。故障重启，首先增大整流器触发角到120°～150°，变为逆变运行，使得直流系统储存的能量很快向交流系统释放，直流电流迅速下降到零。待短路点去游离后，再逐渐减小整流器触发角，直到直流系统恢复正常运行。（6）降功率/降电流。通过极控系统，使本极功率或电流降到预设值，达到减小设备所承受的过应力，清除瞬时性故障的目的。（7）控制系统切换。切换当前运行的极控系统至备用系统，防止由于极控系统故障造成的继电保护误动作。（8）极平衡。直流输电系统双极平衡运行或者两极不平衡度较小时，流过接地极或站内接地网的电流很小。当发生故障或不正常运行情况时，双极不平衡度较大，可能导致流过接地极或站内接地网的电流过大，威胁设备和运行人员安全。此时，可以利用控制系统执行双极平衡操作，以消除或减小这一不平衡电流。（9）换流器闭锁/极闭锁。换流器闭锁，意味着停止向晶闸管提供触发脉冲，之后当直流电流第一次过零时，晶闸管停止导通。除了闭锁触发脉冲外，换流器闭锁还常伴随着移相、投旁通对等操作。换流器闭锁总是保证整流器在逆变器之前闭锁，以防止逆变侧首先闭锁造成线路末端反射波叠加形成的过电压。换流器闭锁后，直流系统的能量很快向交流系统释放，此时为了防止交流母线出现过电压，一般还会退出交流滤波器，从而闭锁故障极。（10）极隔离。在一极故障退出运行时，为了不影响健全极的正常运行，便于停运极的直流设备检修，需要断开高压直流母线与直流输电线路的连接以及换流器中性母线与接地极线路的连接，进行极隔离。（11）紧急停运（ESOF）。当交、直流系统发生严重或永久性故障而控制系统的调节达到极限时，直流保护动作向整流、逆变站发ESOF命令。其操作要达到两个目的：一是迅速消除故障点的直流电弧；二是断开交流断路器与交流系统隔离。ESOF命令发出后，两站分别采用移相、闭锁触发脉冲、投旁通对等方式，使直流电流、电压相继降到零，同时断开换流变压器交流进线开关，使交直流系统隔离。ESOF的同时，一般联动切除交流滤波器，以防止交流母线的过电压。与换流器闭锁相似，整流站必须先于逆变站执行ESOF操作，以防止行波反射造成的过电压。在所有保护动作策略以及系统运行命令中，ESOF的优先级最高。（12）跳交流断路器。换流变压器网侧通过交流断路器与交流系统相连。跳交流断路器，可以在换流变压器阀侧发生短路故障时切断电压源，限制故障回路电流，保护换流变压器和换流阀。跳交流断路器还可以避免换流阀承受不必要的电压应力，尤其当换流阀已经严重过电流时更加重要。（13）闭合中性母线接地开关。当接地极线路开路时，需要闭合中性母线接地开关使换流器连接到站内接地网，以防止换流设备的过电压损坏。（14）启动断路器失灵保护。向交流断路器/直流开关发送分断命令的同时，一般还发送一个启动断路器失灵保护的命令。若交流断路器/直流开关在预定时间内仍未能有效灭弧，则进行交流断路器/直流开关重合，以保护设备安全。（15）禁止直流开关分断。在单极金属回线向单极大地回线方式转换，或单极大地回线向单极金属回线方式的转换时，若经过一定时间，目标通道尚未流过预设电流值，则禁止断开原通道直流开关。否则由于没有续流通道，电弧长时间不能熄灭，有可能损坏直流开关。在上述保护动作策略中，有的能够充分保证一次设备的安全，但是对交、直流系统的冲击较大，例如极闭锁、紧急停运等；有的动作策略对交、直流系统冲击较小，却使得在严重故障下一次设备承受过应力的时间延长，例如降功率、故障重启等。在不同故障和非正常运行情况下，应综合考虑设备安全和对系统冲击两方面的因素，选取侧重点不同的保护动作策略，以达到既能够保证设备安全又能够尽量减小对系统冲击的目的。1.6直流继电保护的设计、配置与整定原则基于“四性”的基本要求，直流输电系统继电保护的设计、配置与整定一般应遵循下述原则：（1）直流继电保护系统对于所有可能的故障和不正常运行情况，配置完善的保护功能，不允许存在不被保护的故障和不正常运行情况；（2）不同的保护区域互相重叠，不允许存在保护死区；（3）直流继电保护应能够适应直流输电系统的不同运行方式；（4）直流继电保护系统应采用2套或3套硬件和电源独立，功能完全相同的冗余配置，综合分析各套保护的逻辑判断结果，决定是否出口；（5）保护出口回路，动作执行回路也应有2套冗余配置，当其中一回故障时，剩余健全回路能够可靠动作；（6）每一种故障都应该尽量配置一个快速动作的主保护和一个原理不同动作稍慢的后备保护；（7）直流输电系统的主保护应不依赖于两换流站之间的通信系统，后备保护除非特殊需要，也尽量不依赖于通信系统；（8）控制系统和保护系统在物理上和电气上分开，输入、输出相互独立；（9）控制系统与保护系统之间应正确地协调配合；（10）直流输电系统保护与交流系统保护之间应正确地协调配合，在交流故障恢复过程中，直流保护不能动作；（11）两极保护相互独立，每一极保护出口不允许动作于另一极的控制系统和断路器；（12）进行合适的保护配置与保护动作策略选择，避免一极故障引起双极停运事故。第2章换流器区保护2.1换流器区的构成换流器在直流工程起着交变直、直变交的枢纽点作用，是直流输电系统最为重要的元件。设计可靠、快速、灵敏的保护类型，进行合理的保护配置，对于保护换流器的设备安全和保障直流系统的正常运行具有重要意义。另一方面，阀桥复杂的接线方式和换相特性，使得换流器的故障形式和故障机理较直流系统其他元件要复杂得多，这给保护的设计、配置带来了很大挑战。目前，国内外±500kV直流输电工程，通常采用2个结构完全相同的6脉桥换流器相串联，组成12脉桥换流器，作为一极的基本运行单元。低压6脉桥通过接地极及其引线接地，为直流系统提供参考电位和电流回路，其高压端为高压6脉桥提供基准电位。高压6脉桥的低压端与低压桥相连，高压端连接到平波电抗器，并通过直流输电线路形成整流器到逆变器的电流通路。2个6脉桥的交流侧通过1台三绕组变压器或2台双绕组变压器连接到交流母线，为换流器提供换相电压。12脉桥整流器和逆变器的构成与连接方式如图2-1所示。图中，虚线框内为换流器区，其与换流变压器区、直流母线区以电流互感器为界。图2-112脉桥整流器和逆变器的构成与连接方式2.2换流器区的故障分析2.2.1换流器区的故障类型换流器区的故障类型主要包括以下方面：（1）逆变器的换相失败故障；（2）换流器主接线回路短路故障，指换流器交流侧和直流侧各个接线端间短路、换流器载流元件及接线端对地短路，包括阀短路故障（K1）、直流侧出口短路（K2）、直流侧对地短路（K3）、交流侧相间短路故障（K4）、交流侧单相接地短路（K5），如图2-2所示；（3）换流阀本体及其控制系统故障；（4）区内、区外故障或不正常运行状态引起的换流器过电压、过电流。下面分别进行详细分析。图2-2直流主接线回路故障点2.2.2逆变器的换相失败当2个换流阀在进行换相时，预计关断的换流阀在承受反向压降期间未能关断，或关断后尚未恢复阻断能力时即再次承受正向压降而导通，预计导通的换流阀将向预计关断的换流阀倒换相，预计导通的换流阀重新关断而预计关断的换流阀重新导通，这种现象称为换相失败。换流阀都有1个极限关断角δmin，其反映了可控硅原件中载流子复合和建立P—N结阻挡层所必需的时间。当阀运行时的关断超前角δ小于δmin就有可能发生换相失败。逆变器的关断超前角一般较小，容易受到故障和扰动的影响而发生换相失败。整流器换流阀在关断后的较长时间内承受反向电压，不会发生换相失败。因此，换相失败一般特指逆变器的换相失败。诱发逆变器换相失败的因素有很多，换流阀短路、交流系统故障（包括逆变器交流侧故障）、换流阀的误开通和不开通、换相电压畸变、换相电压过零点漂移、换相电压下降、直流电流增大、逆变角的设定值过小等都可能导致逆变器的换相失败。另外，换流器区的很多故障，如换流阀短路、逆变器交流侧相间短路和单相接地短路、逆变器换流阀的误开通和不开通等故障也主要通过换相失败对直流系统的正常运行产生影响。根据换相失败发生的次数以及各次之间的顺序关系，换相失败又可分为一次换相失败、多次换相失败、连续换相失败和不连续换相失败等。一次换相失败，顾名思义，在整个故障期间换相失败只发生1次，并且没有后续的换相失败发生，这种现象大多由瞬时性扰动引发。假设V1向V5换相失败，故障后，逆变器直流侧输出电压逐渐减小，直流电流上升。当V3向V7换相结束后，V1与V7形成旁通对，整个高压桥处于短路状态，逆变器输出电压仅为一半的额定值，高压桥换流变不再有电流流过。至V9接收到触发脉冲时，其承受正向压降，能够正常导通，换相结束后逆变器电压升高，直流电流降低，系统逐渐恢复正常运行。一次换相失败的故障特征包括：①逆变器直流侧输出电压短时下降，直流电流上升；②故障桥换流变在一段时间内开路，没有电流流过；③故障期间流过故障桥换流变的电流正负半周不对称，可能引起直流偏磁。如果，2个换流阀之间的换相失败在每一个交流周期重复1次，则称这种故障为多次换相失败。多次换相失败，导致直流电路周期性地变化，除了上述一次换相失败的故障特征外，还将在直流系统中引入工频交流分量。一次换相失败在某些情况下会进一步扩大。例如，逆变侧交流电压下降导致高压桥阀V1向V5换相失败，则高压桥紧接着的下一对换流阀（V3/V7）换相时，由于交流电压下降因素没有消除，可能也发生换相失败，这种故障称为两次连续换相失败。两次连续换相失败也将在直流系统中引入工频交流分量。又如，一次瞬时性的扰动导致高压桥阀V1向V5换相失败，此后扰动消失，V3向V7换相成功，但由于一次换相失败引起的直流电流增大又造成了V7向V11的换相失败，这种故障称为两次不连续的换相失败。此外，故障桥的换相失败还有可能引发非故障桥换流阀之间的换相失败，从而造成直流电压的二次跌落和直流电流的二次跃升。在一次故障中，逆变器发生换相失败的具体类型及其造成的后果与故障的种类、程度、持续时间，直流系统参数、运行状态等因素都有密切关系。针对不同的直流工程以及故障类型，具体的故障发展过程应根据实际情况具体分析，但同一种故障的机理一般是相同的。2.2.3换流器阀短路故障阀短路是阀内部或外部绝缘损坏或被短接的故障，故障点如图2-2中K1所示。换流阀电压的大幅跃变以及冷却水系统漏水汽化等都可能引起换流阀的绝缘损坏，将阀短接。换流阀短路后，相当于一根短接线，具有双向导通特性，这是阀短路故障最主要的物理特征。2.2.3.1整流器阀短路故障（1）整流器阀短路的时空特性。整流器阀短路故障具有复杂的时空特性。从空间上来说，整流器有12个换流阀，即有12种故障位置。从时间上来说，整流器在正常运行状态下有24种导通状态，包括12种换相导通状态和12种非换相导通状态，即有24种故障时段。综合考虑阀短路的时间和空间特性，则共有288种故障发展可能性。一般来说，12种故障位置可分为4组：高压桥共阴极阀组故障[K1（1）]，高压桥共阳极阀组故障[K1（2）]，低压桥共阴极阀组故障[K2（1）]，低压桥共阳极阀组故障[K2（2）]。对于一个6脉桥换流器，处于同一阀组的3个换流阀的地位及作用完全对等，因此3个换流阀在故障后具有相似的故障发展规律。此外，6脉桥换流器处于同一桥臂的2个换流阀存在着对偶关系，例如，V1/V11和V5/V7两种导通状态对于换流器直流侧是等效的，对于整流器交流侧则表现为换流变二次绕组电流的反向，其他并无差别，因此，共阴极阀组与共阳极阀组也具有相似的故障发展规律。对于12脉桥整流器，高压6脉桥与低压6脉桥的差别仅在于参考电位的不同，低压6脉桥的参考电位为零，高压6脉桥的参考电位为低压6脉桥的输出电压。因此，高压6脉桥换流阀短路与低压6脉桥对应换流阀的短路在下述方面具有相似的故障规律：①故障桥换流阀的导通情况；②故障桥所连接换流变直流侧的电流、电压变化情况；③该6脉桥直流侧的输出电流电压；④对另外非故障桥的影响；⑤非故障桥的阀导通状态对故障过程的影响很小，可以不予考虑。综上所述，12种不同的故障位置下，虽然具体的故障发展过程会有所差异，但是基本规律是一致的，且对于整流器直流侧是完全等效的。因此，在所有288种故障发展可能性中，只有12种是独立的，包括6种非换相时段和6种换相时段的阀短路。对于整流器而言，由于不会发生换相失败，不同时段下的故障发展过程具有连续性。例如，阀V1在V3/V5导通时段短路，V7受到触发导通后，V3将向V7换相，换相结束后的故障发展过程与V5/V7导通状态下V1短路相似，只在换相角大小以及相关电气量幅值上有所差异，但基本发展规律是一致的。也就是说，在换相前、换相中、换相后，阀短路的故障发展过程不会发生跃变。因此，换相时段发生阀短路后的故障发展过程总是可以归入相邻2个非换相时段阀短路的情形之一，可以不作单独分析。最终，只需对288种故障情况中的6种进行分析即可。为便于说明，下文中假设阀V1发生短路故障。首先以V1/V3导通期间V1短路为例，详细阐述其故障发展过程，继而讨论V3/V5，V5/V7，V7/V9，V9/V11和V11/V1导通期间发生V1短路的特殊性以及共同的故障发展规律。整流器故障桥阀短路对非故障桥的影响很小，因此，分析主要针对故障桥（高压桥）进行。（2）故障过程分析。V1短路后，至V5触发导通前，等效电路如图2-3（a）所示。由于阀V1短路，其所在支路用一短接线来替代，下文中如无特殊说明，均作此处理。在此期间，电流通路与V1未发生短路情况下相同，各电气量均按正常规律变化。V5接收到触发脉冲导通后，相当于a/b两相短路，故障电路如图2-3（b）所示。首先，V1向V5换相，a相电流逐渐减小，b相电流增大。a相电流减小到0后，由于阀V1被短路，该支路不会断流，而是继续流过反向电流，电流大小按a/b两相短路规律发展。V7接收到触发脉冲时，m点电位小于p点电位，阀V7不能导通。至c相电压过零变正，p点电压过零变负时，阀V7才承受正向电压导通，V3开始向V7换相。此时，整个高压桥被短路，且a/b/c三相短路，如图2-3（c）所示。换相结束后，阀V3关断，c相电流变为零，短路状态变为a/b两相短路和整个高压桥短路并存的状态，如图2-3（d）所示。V9接收到触发脉冲时，其承受正向电压，能够正常导通。V9导通后，V5开始向V9换相，a/b/c三相再次短路，如图2-3（e）所示。从V5导通开始，a/b两相一直处于短路状态，短路电流很大，导致V5向V9的换相角增大到90°左右，约3个脉冲间隔。V11接收到触发脉冲时，V5向V9的换相过程尚未结束，m点与p点电位相等，V11不能导通。一直到V5向V9换相结束时，阀V11承受正向电压导通，开始由V7向V11正常换相，换相结束后的故障电路如图2-3（f）所示。（a）V5触发导通前；（b）V5接收到触发脉冲换相中；（c）V7接收到触发脉冲换相中；（d）V7接收到触发脉冲换相后；（e）V9接收到触发脉冲；（f）V11接收到触发脉冲换相结束后；（g）V3接收到触发脉冲换相中；（h）V3接收到触发脉冲换相后至Ua大于Uc时，开始由V9向V1（短接线）强迫换相，a/c两相间的短路电流逐渐减小。V3接收到触发脉冲时，V9向V1的换相过程尚未完成，V3承受反向电压不能立即导通。需等到Ub＞1/2（Ua+Uc）时，V3方能导通，V11向V3正常换相，a/b/c三相短路，且整个高压桥被短路，如图2-3（g）所示。换相结束后，三相短路结束，再次形成a/c两相短路，V3/V9形成旁通对，如图2-3（h）所示。V5第二次接收到触发脉冲时，承受正向电压立即导通。至此，a相绕组流过短路电流的时间为1个周期，经历了从正减小到零，继而反向增加到最大值，之后又开始减小并过零变正的过程。至V5触发时，V9向V1的换相过程是否已经结束与换流变电感等因素密切相关，若尚未结束，则V9与V1一起向V1换相，若已经结束则V1向V5换相。换相结束后的故障发展过程是前面过程的周期重复，不再赘述。对V3/V5，V5/V7，V7/V9，V9/V11和V11/V1导通期间发生V1短路的故障发展过程进行类似分析，并结合V1/V3导通时的故障发展过程，可以发现：1）整流器阀短路故障具有非严格的周期特性。V1/V3导通时，V1发生短路故障，经过1个周期（12个脉冲触发间隔）后，换流阀导通状态和相关电气量与初始状态基本一致，此为一个完整的故障周期。2）V3/V5，V5/V7，V7/V9，V9/V11和V11/V1时段下发生V1短路，经过一系列的故障发展过程，最终均将按照V1/V3导通时V1短路的故障过程发展，但第一故障周期（故障发生至V1/V3导通状态）是不完整的。3）不同故障时段下发生V1短路，第一故障周期的完整性从高到低为V3/V5，V5/V7，V7/V9，/V9/V11，V11/V1。在同一故障时段内，故障时刻越早，第一故障周期越完整。4）第一故障周期完整性的不同将导致此周期内各相关电气量幅值大小的不同，第一故障周期越完整，此周期内流过换流阀及换流变绕组的电流越大，反之越小。5）故障发展过程的非严格周期特性，将导致整流器直流侧输出电流、电压呈周期振荡，振荡频率为50Hz。（3）典型的阀短路故障仿真。下面是以某一实际直流输电系统为背景，对额定运行情况下（额定电流1.8kA，额定运行电压±500kV），阀V1/V3导通时V1发生短路，仿真得到的相关电气量波形图，从图2-4中可以看出：图2-4阀V1/V3导通时，V1短路（a）共阴极阀电流；（b）共阳极阀电流图；（c）换流变三相电流；（d）换流器直流侧电压；（e）换流器直流侧电流

Iralvei—阀i上的电流（i=1，3，5…）；Ishortlime—短接上的电流；Ia、Ib、Ic—换流变三相电流1）流过共阴极非故障阀的最大电流是额定值的5～6倍，流过故障阀的电流是额定值的8～9倍。2）换流变a相绕组电流最大值是额定值的8～9倍，b/c相绕组是额定值的5～6倍，且正负半周严重不对称，威胁换流变的安全运行。3）共阳极阀组按照正常顺序依次换相，但阀电流相比于正常情况下有所减小。4）直流系统中含有50Hz的振荡分量。上述结果是在额定状态下发生V1短路得到的，实际上，随着触发角的不同，故障严重性是不一样的，触发延时角α=0°时，最为严重。（4）整流器阀短路的故障特征及危害。依据上文所述，总结整流器阀短路的故障特征及其可能造成的危害如下：1）共阴极非故障阀轮流导通，故障阀由于被短路，相当于一直导通，导致换流变交替地发生两相短路与三相短路；2）由于交流两相短路与三相短路的交替发生，使得流过换流变和共阴极换流阀的电流激增，威胁设备的安全运行；3）流过换流变三相绕组的电流正负半周严重不对称，即交流电流中存在着直流分量，这一方面会引起交流互感器偏磁，造成二次波形严重失真，另一方面还会引起换流变压器的直流偏磁，造成换流变压器过热以及噪声的增大；4）交流两相短路与三相短路的交替发生，以及整个高压桥间歇性的短接导致直流侧的输出电压、电流急剧下降，且含有50Hz的振荡分量，影响直流系统的正常运行；5）不同时段下V1短路后故障发展过程的差异主要体现在第一故障周期的完整性以及此周期内各相关电气量的幅值大小，第一故障周期结束后的故障发展过程以及相关电气量大小相差不大；6）不同换流阀短路时，具体故障发展过程不同，但基本规律一致。2.2.3.2逆变器阀短路故障（1）逆变器阀短路与换相失败。逆变器阀短路故障与整流器阀短路故障的最大不同在于，其在故障初期会发生复杂的换相失败现象。在故障后期由于控制系统的作用，电流一般小于额定值，换相失败现象消失。下面的分析主要针对故障初期进行。逆变器换流阀短路会导致故障阀与同一半桥非故障阀之间的换相失败以及强制换相。若故障阀在导通期间发生短路，则由于故障阀的双向导通特性，其向同一半桥非故障阀换相结束后将发生倒换相，造成换相失败；若在同一半桥非故障阀导通时，故障阀发生短路，则非故障阀将向故障阀强制换相，且由于短路故障一直存在，非故障阀向故障阀的倒换相将周期性地发生，这将在直流系统中产生基频交流分量。当另外半桥与故障阀处于同一桥臂的换流阀导通时，其与故障阀形成旁通对，造成6脉桥短路，逆变器输出电压急剧下降，直流电流显著上升。这有可能进一步造成另外半桥换流阀间的换相失败，使得6脉桥短路持续存在。故障换流阀所在6脉桥被短路，导致逆变器直流电流增加，还可能引起非故障桥的换相失败以及旁通对的形成，使得整个逆变器被短路，从而使得逆变器直流电压二次跌落，直流电流二次跃升。逆变器阀短路后，影响换相失败的因素很多，包括换流变压器的参数、直流系统故障前的运行状态、换流变交流母线的电压等。例如，在其他条件相同的情况下，换流变压器电感较大时，故障桥短路将导致非故障桥的换相失败，而换流变压器电感较小时则不会。因此，对于不同直流系统和运行条件，阀短路后故障发展规律具有不确定性。在进行相关继电保护的开发与研究以及保护定值整定时，必须充分考虑这些因素的影响。（2）逆变器阀短路的时空特性。与整流器阀短路故障相似，逆变器不同换流阀短路之间也具有相似的故障规律。但对于同一换流阀，逆变器在不同时段短路后的故障发展规律较整流器要复杂得多，这主要体现在以下方面：1）6种非换相时段下，阀短路后的故障发展规律不具有连续性，会发生跃变。例如，阀V1/V3导通时，V7短路，有可能造成V3向V5的换相失败；而阀V3/V5导通时发生V7短路，则V3向V5的换相已经完成，因此与前者相比较而言，故障发展过程发生了跃变。2）非换相时段不同时段下故障发展规律的不连续性导致了换相时段故障发展规律的不确定性。例如，若在V1向V5换相初期发生V7短路，则有可能发生换相失败；而在V1向V5的换相末期发生V7短路，则不会发生换相失败。虽然如此，换相时段总可以归入其临近的两个非换相时段之一，其不具有独立性，在分析逆变器的故障发展规律时可以不予考虑。3）非故障桥的阀导通状态对故障桥阀短路后逆变器的故障发展过程有重要影响。例如，V2/V3/V4/V5导通时，V7短路，有可能造成V2向V6的换相失败；而V3/V4/V5/V6导通时，V7短路，则V2向V6的换相已经完成，因此故障发展过程完全不同。综上所述，逆变器在12种时段（非换相时段）下的阀短路故障是独立的，且相互之间的故障发展规律不具有连续性，在进行相关继电保护的开发与研究以及保护定值整定时，必须对12种情况下得故障发展过程进行充分地分析，以确保继电保护的可靠性与灵敏性。（3）典型的阀短路故障分析。下面以某实际直流输电系统为背景，对额定运行状态下，阀V5/V7导通时V7发生短路后一个周期（12个脉冲触发间隔）内的故障发展过程进行详尽分析。1）高压桥故障过程。从V7短路，至V5向V9换相前，等效电路如图2-5（a）所示。在此期间，电流通路与V7未发生短路情况下相同，各电气量均维持不变。V9接收到触发脉冲后，正常导通，V5向V9换相，换相结束后电路如图2-5（b）所示。V11接收到触发脉冲后，正常导通，故障短接线开始向V11进行换相，a相电流逐渐减小，b相电流逐渐增大。至Uab过零变负后，换流阀V11逐渐承受反向电压，V11向V7倒换相。倒换相结束后，V11被关断，电流通路与图2-5（b）相同。至V1触发时，V9向V1换相。与此同时，整个高压桥被短路。V9向V1换相结束后，换流变二次侧中不再有电流流过，等效电路如图2-5（c）所示。此时，由于高压桥的短路，导致逆变器直流侧电压急剧跌落，直流线路电流显著增加。图2-5高压桥故障过程（a）V7短路后，V5向V9换相前；（b）V5向V9换相结束后；（c）V1触发导通后至V3触发时，V3阀电压为小于零，不能正常导通。V5接收到触发脉冲后，正常导通，V1开始向V5换相。由于高压桥短路导致流过阀V1电流的增大（从下文可以看到，此时低压桥也处于短路状态，其进一步加剧了直流电流的增大），V1向V5换相失败，变压器副边中的电流将再次降到零，换流器高压桥等效电路与图2-5（c）相同。V9第二次接收到触发脉冲时，其承受反向电压不能导通，等效电路仍然如图2-5（c）所示。2）高压桥阀短路对低压桥的影响。从阀V7短路，至阀V2导通之前，高压桥的换相异常导致的电气外特性变化不明显，对低压桥几乎没有影响。V12触发后，V2触发前的等效电路如图2-6（a）所示。至阀V2触发时，由于此前阀V1导通后，故障桥（高压桥）短路，直流电流增大，导致V10向V2的换相角过大出现换相失败，V10继续导通，等效电路仍然如图2-6（a）所示。图2-6高压桥阀短路对低压桥的影响（a）V7短路后，至V2到铜前；（b）V8触发导通，换相结束后；（c）V12触发导通，换相结束后至阀V4触发后，V12向V4成功换相。换相结束后，V4与V10形成旁通对，低压桥被短路，直流电流进一步上升，逆变器直流侧电压跌至0。至阀V6触发时，其承受反向压降，不能导通。至阀V8触发时，其承受正向电压导通，V4向V8换相，换相结束后，形成V8/V10电流回路，如图2-6（b）所示。至V10触发时，其已经处于导通状态，继续导通。至V12触发时，V8向V12正常换相，换相结束后等效电路与图2-6（c）相同。在第二次V2触发时，由于控制系统的作用，此时电流已经下降，V10向V2正常换相。此后过程不作详述。3）故障波形。图2-7所示为V7短路后3个周期内，高压桥和低压桥各换流阀的电流，换流变压器的三相电流以及换流器直流侧的电压、电流。分析图2-7可以看出：故障初期，阀短路故障不但造成了高压桥的短路，还引起了低压桥的换相失败并进一步造成低压桥短路，使得相关电气量发生变化：逆变器直流侧电流增大，最大值约为额定值的2倍；直流电压急剧下降；换流变间断性地开路，流过换流变的电流正负半周不对称，故障桥换流变尤为严重。由于整流侧定电流控制的作用，逆变侧高压桥和低压桥短路导致的电流过冲持续较短时间后开始下降，且由于直流平均电压的减小，低压限流动作，使得直流电流小于额定值。在控制系统作用下，直流电流的减小，使得在故障后期故障桥的非故障半桥以及非故障桥一般不会继续发生换相失败现象。由于故障一直存在，故障半桥非故障阀向故障阀倒换相周期性地发生，在直流系统中产生了基频分量。在故障阀同半桥的下一个阀触发开通后，形成两相短路，并由故障短接线向该阀换相，故障短接线电流逐渐减小。当β较大时，换相结束后，故障电流还将一直反向增大，在β=90°时，将产生最大的短路电流。在上述仿真算例中，故障短接线及换流变相应绕组流过的最大短路电流约为额定值的3倍。（4）逆变器阀短路的故障特征及危害。依据上文所述，总结逆变器阀短路的故障特征及其可能造成的危害如下：1）逆变器阀短路故障初期将产生复杂的换相失败现象，其不但造成故障阀所在半桥换流阀间的换相失败，还可能导致同一6脉桥非故障半桥换流阀间的换相失败，甚至还会引起非故障桥的换相失败。2）逆变器换流阀短路后，会使得直流系统产生一定的过电流，但在控制系统的作用下该值一般不会太大。3）在低压限流的作用下，故障后期的电流值一般较额定值要小，且换相失败现象消失。4）非故障阀向故障阀的倒换相将周期性地发生，将在直流系统中产生基频交流分量。图2-7故障仿真波形（a）高压桥共阴极阀电流；（b）高压桥共阳极阀电流；（c）低压桥共阴极阀电流；（d）低压桥共阳极阀电流；（e）高压桥换流变三相电流；（f）低压桥换流变三相电流；（g）换流器直流侧电压；（h）换流器直流侧电流5）流过换流变三相绕组的电流正负半周不对称，故障桥换流变尤为严重。这一方面会引起交流互感器偏磁，造成二次波形严重失真；另一方面还会引起换流变压器的直流偏磁，造成换流变压器过热以及噪声的增大。2.2.4换流器直流侧出口短路故障换流器直流侧出口短路，是指换流器直流端子之间发生的短路故障，包括高压端对换流器中点短路[K2（1）]、换流器中点对中性端短路[K2（2）]以及高压端对中性端短路[K2（3）]三种情况，如图2-2所示。这种故障一般是由上述位置丧失绝缘性能所致。换流器直流侧出口短路与直流母线短路实际上为同一个故障点，但二者之间以电流互感器隔开，故障时流过互感器的电流值以及由此引起的直流控制系统作用有较大差异。换流器直流侧出口短路与阀短路故障的最大不同在于换流阀仍可保持单向导通特性。2.2.4.1整流器直流侧出口短路故障（1）直流侧出口高压（中性）端对换流器中点短路。直流侧出口高压端对换流器中点短路的等效电路如图2-8所示。从图中可以看出，由于高压桥被短路，整流器相当于形成了两个独立的电流回路，高压桥和与之相连的换流变以及故障短接线形成回路1；低压桥通过平波电抗器、直流输电线路等与逆变器构成回路2。图2-8直流侧出口高压端对换流器中点短路的等效电路在回路1中，由于直流侧出口短路，在非换相期间相当于发生了交流两相短路，当下一个阀触发导通进行换相时，相当于发生了三相短路。两相短路和三相短路的交替发生将使得流过导通阀和换流变的电流激增，威胁设备的安全。在回路2中，由于整流侧只有6脉桥运行，其直流侧输出电压较正常值要小的多，并进一步导致输电线路上直流电流的降低。测量系统检测到上述电气量变化后，将其传给控制系统，低压限流控制动作。由于低压限流环节具有一定的惯性时间常数，在作用初期其产生的电流参考值仍然大于测量值，因此，直流线路电流会有所提高（电流上升量与最大β角限制有关），但不可能大于额定值。随着故障的持续，低压限流定值逐渐低于测量值，直流线路电流将再次降低。最终，在控制系统的作用下，回路2将运行于一个电压、电流较额定值要小得多的运行点。在整个故障过程中不会产生过流和过压危害。下面以某实际直流输电系统为背景，对额定运行状态下，发生整流器直流侧出口高压端对换流器中点短路的故障发展过程进行具体阐述。设故障发生于V11向V1换相刚完成，高压桥只有阀V1/V3导通时。故障发生后，形成a/c两相短路，回路电流按两相短路规律发展。至V5触发导通后，V1向V5换相，形成a/b/c三相短路，回路电流按照三相短路规律发展。至V7接收到触发脉冲时，V1向V5的换相尚未完成，V7两端压降为零，因此不能立即导通。等到V1向V5换相完成后，V7承受正向压降导通，V3开始向V7换相，仍然形成三相短路。V9接收到触发脉冲时，V3向V7的换相也尚未完成，待换相完成后，V9导通，V5开始向V9换相，短路电流仍然按照三相短路规律发展。同样，V11也等到V5向V9的换相完成后才触发导通，导通后V7开始向V11换相，a/b/c三相短路。V1接收到触发脉冲后，直到V5向V9换相结束后导通，仍然形成三相短路。至此为一个工频周期的换流阀导通情况，从中可以看出，除了在故障开始阶段，高压桥处于a/c两相短路外，其余时间均为三相短路。在接下来的故障时间内，高压桥各相电流一直按照三相短路发展。图2-9（a）为对应于上述故障过程第一个工频周期内换流阀的导通情况以及流过换流阀的电流。后续换流阀导通情况与此相似，但电流幅值大小由于控制系统的影响有所减小，各阀之间的换相角度也略有不同。图2-9（b）所示，为流过高压桥换流变的三相短路电流。从图中可以看出，额定运行情况下，发生高压端对换流器中点短路后，流过高压桥换流变及换流阀的电流约是额定值的7倍，严重威胁设备的安全。且流过换流变的电流正负半周不对称，还可能引起换流变及互感器的直流偏磁。图2-9（c）、（d）所示，为直流侧出口处检测到的电压、电流值（最大β角限定值为90°）。可以看出，高压端对换流器中点短路，除高压桥及其换流变压器外，不会对直流系统其他部分构成过电压、过电流危害。图2-9整流器直流侧出口高压端对换流器中点短路的故障（a）换流阀电流；（b）高压桥换流变电流；（c）直流侧出口处电流；（d）直流侧出口处电压整流器中性端对换流器中点短路有着相似的结论，不再赘述。（2）直流侧出口高压端对中性端短路。直流侧出口高压端对中性端短路后，直流系统可以分为两个部分，一部分包括整流器及整流侧交流系统，通过故障短接线形成整流侧回路，如图2-10所示；另一部分，从故障点到逆变侧的交流系统，包括两个平波电抗器、直流输电线路、逆变器以及逆变侧的交流系统，形成逆变侧回路。整流侧回路由高压6脉桥和低压6脉桥串联而成，其相当于两部分电路的叠加：一部分由低压6脉桥及其交流系统和高压6脉桥的换流变电感组成；另一部分由高压6脉桥及其交流系统和低压6脉桥的换流变电感组成。两个部分的电源相角相差30°，因此，流过换流阀和换流变的故障电流较高压端对换流器中点短路时要小。对于每一个6脉桥而言，其故障发展过程与高压端对换流器中点短路中的回路1相比要复杂得多，而且，2个6脉桥的触发导通状态相互影响。例如，V1/V2/V3/V4导通时，发生高压端对中性端短路，V1向V5换相，V2向V6换相。V7接收到触发脉冲后，其并不需要等到V1向V5换相结束才能导通，只要满足条件ec＞1/2（ea+eb）即可。V7一旦导通，即形成V1/V7的旁通对，整个高压桥相当于被短接。对低压桥而言，此时相当于放生了换流器中点对中性端的短路，因此，V8必须等到V2向V6换相完毕，或者高压6脉桥的旁通对结束且满足1/2（ea+ec）＞eb才能导通。低压6脉桥对高压6脉桥有着类似的影响。总体上，每个6脉桥的故障发展规律表现为：①两相短路、三相短路以及旁通对的交替发生；②在某一桥臂旁通对期间，剩余两个桥臂通过另外的6脉桥构成回路；③2个6脉桥不可能同时形成旁通对。图2-10直流侧出口高压端对中性端短路对于逆变侧回路，其整流侧的电源为零，因此，回路电流不存在由于控制系统作用暂时上升的过程，单调下降到零左右，对逆变器及其换流变不构成威胁。在故障初期，由于行波的折反射，会有微小振荡，最后回路电流为零，相当于开路。实际上，在触发脉冲的作用下，当逆变侧换流阀触发时，仍有瞬时充电电流存在。图2-11为以某实际直流直流系统为背景，在额定运行状态下，V12/V1/V2/V3导通期间发生整流器直流侧出口高压端对中性端短路的故障仿真波形，包括整流器高压、低压6脉桥的阀电流、换流变压器电流，以及逆变侧电路在整流器直流侧出口处的电压、电流。从图中可以看出，流过整流器换流阀和换流变压器的故障电流约为正常值的5倍。流过换流变压器的三相电流正负半周不对称，有可能造成直流偏磁。整流侧高压端对中性点短路不会对逆变侧造成危害。图2-11整流器直流侧出口高压端对中性端短路的故障（a）高压桥阀电流；（b）低压桥阀电流；（c）高压桥换流变电流；（d）低压桥换流变电流；（e）换流器直流侧出口电流；（f）换流器直流侧出口电压2.2.4.2逆变器直流侧出口短路故障（1）直流侧出口高压（中性）端对换流器中点短路。逆变器直流侧出口高压端对换流器中点短路后形成如图2-12所示的2个独立的电流回路：高压桥和与之相连的换流变以及故障短接线形成回路1；低压桥通过平波电抗器、直流输电线路等与整流器构成回路2。图2-12直流侧出口高压（中性）端对换流器中点短路当高压端对换流器中点短路后，逆变侧高压桥被短接，流过回路1的电流将迅速下降到零，对回路1的换流阀及换流变压器均不构成威胁。由于高压桥被短接，逆变器直流侧的输出电压将发生跌落，电容向回路2放电，造成回路2电流增大。与逆变器高压桥阀短路对低压桥的影响相似，回路2电流的增加，又将进一步导致逆变器低压桥的换相失败和旁通对的形成，造成逆变器直流侧电压的二次跌落和回路2电流的二次上升。检测到上述电气量变化后，直流系统控制系统作用，整流侧增大触发延迟角α，逆变侧减小触发超前角β，直流电流逐渐降低。最终回路2在低压限流的作用下，将运行于一个低电压、低电流的运行点。回路2在整个故障过程中，由于串联有2个平波电抗器，电流上升速度一般不会太快，加之以控制系统的作用，回路中的电流过冲值一般不大。图2-13所示，为以某实际直流输电系统为背景，在额定运行状态下，发生逆变器直流侧出口高压端对换流器中点短路的故障仿真波形，包括逆变器直流侧出口检测到的电压、电流以及逆变器低压桥的阀电流。可以看出，在低压桥发生换相失败前，电流过冲约为额定值的1.5倍，由此导致的低压桥换相失败使得电流值二次上升，最大值约为额定值的2倍。逆变器直流侧出口中性端对换流器中点短路有着类似的故障特性。（2）直流侧出口高压端对中性端短路。直流侧出口高压端对中性端短路后，直流系统可以分成2个部分：一部分由故障短接线、逆变器及其交流系统组成，构成逆变侧回路；另一部分由整流侧交流系统、整流器、平波电抗器、直流输电线路以及故障短接线等组成，构成整流侧回路，如图2-14所示。图2-13逆变器直流侧出口高压端对换流器中点短路的故障（a）换流器直流侧出口电流；（b）换流器直流侧出口电压；（c）低压桥共阴极阀电流；（d）低压桥共阳极阀电流高压端对中性端短路后，逆变侧回路电流将迅速下降到零，对逆变器及其2个换流变压器不构成威胁。高压端对中性端的短路造成逆变侧直流电压的跌落，整流侧回路电流上升，由于平波电抗器的作用，这一上升速度一般不会太快。之后整流侧控制系统开始作用，触发延迟角α增大，整流器输出电压减小，从而使得整流侧回路电流减小。最终，触发角α增大到略小于90°，整流器以接近零功率因数运行，回路电流由最小定电流控制特性决定。高压端对中性点短路故障对整流侧交流系统的扰动表现为有功负荷和无功负荷的丢失，对逆变侧交流系统则表现为有功电源和无功负荷的丢失。图2-15以某实际直流输电系统为背景，在额定运行状态下，发生直流侧出口高压端对中性端短路后，逆变器直流侧出口处电压、电流的故障仿真波形。可以看出：①额定状态下，发生故障后，电流过冲约为额定值的2倍；图2-14逆变器直流侧出口高压端对中性端短路②最终直流系统电流约为额定值的一半，电压略大于零。图2-15逆变器直流侧出口高压端对中性端短路（a）逆变器直流侧出口电流；（b）逆变器直流侧出口电压2.2.5换流器直流侧对地短路故障换流器直流侧对地短路，包括高压端对地短路[K3（1）]、换流器中点对地短路[K3（2）]和中性端对地短路[K3（3）]三种情况。整流器高压端对地短路的故障机理与整流器直流侧出口高压端对中性端短路类似，但短路的路径有所不同。高压端对地短路的近似等效电路如图2-16所示，高压端通过站内接地网与接地极相连并通过接地极引线到达直流中性端（在站内接地开关闭合时，不通过接地极及其引线）。较之于直流侧出口高压端对中性端短路，回路中多了接地极引线，因此，流过整流器及其换流变压器的故障电流要略小，但仍对设备安全构成严重威胁，且流过整流侧换流变压器的三相电流正负半周不对称，有可能造成直流偏磁。故障后，流过逆变器的电流很快下降到零，不会对逆变器及其换流变压器构成威胁。图2-16高压端对地短路的近似等效电路同样，整流器中点对地短路与换流器中点对中性端短路的故障机理和故障特征也类似，只是故障电路不同，从而造成故障电气量的幅值有细微差异。由于换流器中性端本身就处于一个接近于零的电位点，因此，其发生接地短路后对直流系统的正常运行影响不大。但站内接地网与接地极形成的通道与接地极引线并联，且电阻较接地极引线要小的多，站内接地网将流过接近额定值的电流，长时间运行有可能造成整流侧换流变压器的直流偏磁。同样，逆变器高压端对地短路与逆变器直流侧出口高压端对中性端短路相似，换流器中性端对地短路与换流器中点对中性端短路相似，逆变器中性端对地短路同样对直流系统正常运行影响不大，但故障不能长时间存在。2.2.6换流器交流侧相间短路故障换流器交流侧相间短路，是指换流器与换流变压器的交流连接线上发生的两相短路故障，故障点为图2-2中的K4，包括高压桥交流侧相间短路[K4（1）]和低压桥交流侧相间短路[K4（2）]两种情况。换流器交流侧相间短路与换流变阀侧相间短路实际上为同一故障点，故障后具有相同的故障电气特性，但二者以电流互感器为界，流过电流互感器的电流值正负相反，这也是区分二者的主要依据。换流器交流侧发生相间短路后