浅析高压直流输电换相失败原因及对策

浅析高压直流输电换相失败原因及对策
摘要：换相失败在高压直流输电系统中时常发生，短时间内的换相失败不会造
成严重后果，但长时间多次换相失败将导致直流系统停运。

造成换相失败的常见
原因主要有：一是交流侧系统异常，比如电压跌落、电压波形畸变等；二是换流
阀触发脉冲丢失；三是直流电压、电流异常。

换相失败是高压直流输电系统一种
常见故障，本文进行了故障原因分析，阐述了换相失败保护设计原理，梳理了引
起换相失败的几种常见因素，提出了针对类似故障防范措施。

关键词：高压直流；输电线路；失败原因；分析
1导言
在单回路全功率系统运行试验中，当系统输送容量升到额定值并持续7min后发生逆变失败故障，控制保护系统启动换相失败保护策略之后系统恢复正常运行，随后连续运行1h的过程中，同样的故障随机出现了6次。

故障发生时对系统产
生较大冲击，直流侧瞬间产生约2.6倍的暂态过电流，交流系统频率变化范围为59.7-60.3 Hz，谐波严重超标。

本文主要是对高压直流输电换相失败原因及对策进
行了一定的分析研究，与此同时也是在这个基础之上提出了下文之中的一些内容，希望能够给予相同行业进行工作的人员提供出一定价值的参考。

2换相失败保护原理
保护功能测量换流变阀侧Y绕组和D绕组的电流以及直流电流IDP和IDNC。

一个6脉动桥换相失败的明显特征是交流相电流降低，而直流电流升高。

换相失
败可能是由一种或多种故障，如控制脉冲发送错误、交流系统故障等引起的。

阀
的误触发或触发脉冲丢失会导致其中一个6脉动桥的连续换相失败；交流系统干
扰会导致两个6脉动换流桥的连续换相失败。

对于一个6脉动阀组的持续换相失
败和12脉动阀组的持续换相失败，保护分别经过不同的延时跳闸。

3换相失败机理
换流阀导通时电压为零，阀阻断时承受正向和反向电压。

当阀内电流降到零
以后在γ电角度加有反向电压，交流电压越过C6点时结束，这个电压是阀关断
所必须的。

正常运行时在γ电角度内阀必须可靠地关断并完全恢复正向阻断能力，否则阀会继续导通或再次自行导通引起换相失败。

对于特定的晶闸管元件来说，
载流子复合建立PN结阻挡层的时间和元件的电气参数以及实际使用容量有关，
通常按照晶闸管给出的反向恢复时间最大值作为工程设计依据。

触发超前角β过小、换流阀短路、丢失触发脉冲、逆变侧交流电压畸变等原因都能引起换相失败
故障。

以逆变侧阀V1换相到阀V3发生故障为例进行分析，正常情况下是阀V3
触发导通，阀V1进而关断退出导通，但是当阀V1和阀V3发生倒换相，或者在
阀V3触发时刻缺失触发脉冲阀V1会继续导通下去，接着在阀V2向阀V4换相时刻，阀V4被触发导通和阀V1形成旁通对，造成直流侧短路。

直到阀V4和阀V6
换相后直流侧短路才结束，如果之后不发生换相失败，系统便可以恢复正常运行。

故障过程中逆变器反电压下降过程历时240°。

发生换相失败故障时逆变侧在一段
时间内直流反电压降低，直流电流增大。

换相失败是直流系统常见的故障之一，一般单次换相失败仅会导致短暂的功
率中断，其对系统影响不严重，只有发生连续换相失败可能引起直流闭锁。

换相
失败一般都发生在逆变站，当逆变侧换流器两个桥臂之间换相结束后，刚退出导
通的阀在承受反向电压的时间内，如果换流阀载流子未能完成复合并恢复正向阻
断能力，或在反向电压持续期间未能完成换相，此时当阀两侧电压变为正向后，
预定退出的阀将发生误导通，从而引起换相失败。

换相失败的特征是：一是关断
角小于换流阀恢复阻断能力的时间（大功率晶闸管约0.4ms）；二是6脉动逆变
器的直流电压在一定时间下降到零；三是直流电流短时增大；四是交流侧短时开路，电流减小；五是基波分量进入直流系统。

4典型案例分析
4.1典型案例1
某站2014年12月，某站后台监控发报警：保护检测到系统扰动，换相失败
被检测到，保护发出增大GAMMA角命令。

14时56分55秒612毫秒300微秒时刻，Y/Y下半桥V2开始向V4换相，由于C相电压畸变，造成V2向V4换相过程中，V2关断脚为零，V2没有承受足够时间的反向电压而截止，V2向V4换相不
成功，继续导通，V4因导通后承受反向电压而截止。

14时56分55秒613毫秒700微秒时刻，V3向V5换相，换相成功，此时Y/Y换流变C相桥臂上的V2和
V5同时导通，Y/Y换流变在阀则直接被短接，直流电流直接流经C相桥臂，然后
通过Y/D六脉动逆变器流回直流线路。

此时，直流线路电流短时间增大，而Y桥
换流变电流为零，满足换相失败判据条件。

14时56分55秒621毫秒100微秒时刻，V5向V1换相，换相后可以从图看出V5有足够时间的反向电压阻断V5的载
流能力，所以本次换相成功，V5截止，随后系统逐渐恢复到正常状态。

从上图中可以看出，本次为Y/Y单桥换相失败，逆变侧功率未完全中断，造成本次换相失
败原因为交流侧电压波形畸变引起熄弧角减小所致。

4.2典型案例二
某站2011年12月，首先是极1控制系统发出阀控系统紧急故障报警信号，7毫秒后极1发生换相失败告警，相隔11毫秒后，极2发生换相失败告警，200毫秒后恢复正常。

经过仔细分析，本次换相失败的机理为由于阀控板卡瞬间故障，
导致阀控系统丢失触发脉冲，极1D桥部分阀未正常触发，导致换相失败，先是
极1发生换相失败，把交流系统电压拉低，进而造成极2也发生换相失败。

2天
后该站又次发生了双极相继换相失败，首先极1发生换相失败告警，相隔10毫
秒后，极2发生换相失败告警，200毫秒后恢复正常。

本次换相失败的原因为极
1Y桥的部分阀误触发所致，极1Y桥先发生换相失败，把交流系统电压拉低，进
而造成极2也发生换相失败。

本次故障原因为换流阀误触发与第一次故障时换流
阀触发脉冲丢失有所不同。

5换相失败控制措施
当前国内高压直流输电系统换相失败原因主要集中在交流系统故障、换流阀
触发脉冲丢失、换流阀触发异常、直流电流异常等方面，可针对这些原因采取以
下措施来减少换相失败的几率：
一是利用无功补偿装置对直流输电系统进行无功补偿，增大系统有效短路比，可以维持交流电压的稳定性，二是采用较大的平波电抗器限制暂态时直流电流的
上升。

三是增大关断角整定值，适当增大关断角定值能有效减少换相失败的几率。

四是优化换流阀脉冲控制方式，采用可靠的脉冲控制方式，能有效避免因触发脉
冲丢失引起的换相失败。

6结论
本文提出了一种新的直流换相失败的判别准则，并基于该判别准则提出了一
种新的直流换相失败的控制策略和实现方法，分别通过单个直流输电系统和多馈
入直流等值系统换相失败的实时仿真研究，验证了该直流换相失败判别准则和直
流换相失败控制策略的有效性。

该直流换相失败的判别准则可以快速有效地判断
直流输电系统是否发生换相失败和换相失败持续的时间，为电网直流输电换相失败的深人研究提供一种非常有效的方法。

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