直流输电--换流器保护

eb
P5
ec
P1
2 P4 P6
i1
1.43Is3
1.86Is3
i3
i5
-2.9Is3
逆变器阀短路
故障条件：
阀V1换相结束不久后，即C6点发生故障；
故障过程：
V1重新导通，V3向V1换相 阀V4导通时，V1与V4将形成直流侧短路，与换相失败 过程相同； 区别在于，V1短路，双向导通，将发生周期性换相失 败。
各阀电流的求解：
由假设 eab = 2 E sin ωt，有三相相电压为：
ea =
ec =
2E 3 2E
3
sin( ωt + 150° )
sin( ωt − 90° )
eb =
2E 3
sin( ωt + 30° )
ea
Lr Lr
a' b' c'
V1
Id
Ld
据图可分别列写方程：
Lr Lr di5 = dt di3 = dt 2E 3 2E 3 sin( ωt + 30° ) sin( ωt − 90° )
ec
Lr
ea
Lr Lr
a'
V1
Id
Ld
eb
V6
b'
V4
V5
Id
c'
第V阶段： ωt = 265.7° ~ 330°
ωt = 265.7° 之后
阀V4关断 阀V1、V5和V6同时导通
ea
Lr Lr
a' b' c'
V1
Id
Ld
eb ec
V6
Lr
V5
Id
交流三相短路和直流短路均解除 阀V1和V5构成两相短路
ωt = 90°之后
阀V1、V3、和V4同时导通 交流的a、b两相短路 直流短路则依然存在
ea
Lr Lr
a' b'
V1
Id
Ld
eb
V3 V4
ec
Lr
c'
Id
第III阶段：ωt = 90° ~ 120°
各阀电流特点
阀V1和阀V3与第二阶段时的两相短路状态相同 阀V4代替阀V2
i3 = I S 2 ( 1 − cos ωt ) i1 = I d − i3 = − I S 2 ( 1 − cos ωt )
i4 = I d = 0
第IV阶段：ωt = 120° ~ 阀V6开始导通
ωt = 120，即C5点 °
阀V5触发，由于V5阳极电位高于阴极电位，因此立 即导通 阀V1、V3、V5、V4同时导通 交流三相短路 直流短路
ea
Lr Lr
a' b' c'
V1
Id
Ld
eb ec
V3 V5
Lr
Id
V4
第IV阶段： ωt = 120° ~ 阀V6开始导通
ωt = 300°，即C2点
阀V2触发，阀V2此时的阳极电位低于其阴极电位而不 能导通 阀V1、V5和V6同时导通
第VI阶段：ωt = 330°以后
ωt = 330°
阀V2阳极电位开始高于其阴极电位，从而马上导通 V1、V5、V2导通 直流母线被阀V2、V5短接 阀V1、V5则造成两相短路
ea
Lr Lr
M
V4
V6
V2
a' b' c' V1
N
V3 V5
换相失败
换相失败是逆变器最常见的故障。 当两个桥臂之间换相结束后，刚退出导通的阀在 反向电压作用的一时间内，如果未能恢复阻断能 力，或者在反向电压期间换相过程一直未能进行 完毕，这两种情况在阀电压转变正向时被换相的 阀都将向原来预定退出导通的阀倒换相，这称之 为换相失败。
V1
Id
Ld
阀V1、V2、V3同时导通 形成a、b两相短路
eb ec
V3 V2
Lr
Id
i1 → 0 i3 → I d
换相瞬时完成
第II阶段——
ωt = 0 之后
正常时：
ωt = 0 ~ 90°
阀V1关断，a、b两相短路的回路就不再存在； 阀V2、V3导通；
阀V1故障时：
阀的反向导通，a、b两相短路的回路仍然存在； 阀V1、V2、V3同时导通 V1的电流开始向负方向增大，而V3的电流也不再保 持 Id ，而继续增大。
以阀V3换相失败为例； 阀V1换相完成后，若在C6点以前不能恢复阻断 能力，则过了C6点将重新导通； C6到P4之间
V3向V1倒换相 V1、V2导通
换相失败故障过程分析
P4到P6之间
在P4时刻，V4开始导通， V1、V4形成直流短路 C1到C2之间，V5承受反向电压，触发脉冲不能使其 开通。
P6之后
ωt = 180° ，即C6点
阀V6触发，处于交流三相短路状态，阀V6两端的电压 为零，阀V4和V6不能换相；
ωt = 265.7° 之前
V1、V3、V4、V5同时导通； 交流侧三相短路 直流侧短路
第V阶段：ωt = 265.7° ~ 330°
ωt = 265.7° ，即阀V3关断时刻
阀V6的阳极将高于阴极，将马上导通 阀V1、V4、V5和V6同时导通 交流侧三相短路 直流侧短路
阀V4阳极对阴极的电压才开始为正，阀V4立即开 V 通； L a' e 阀V1、V3、V2、V4同时导通 e L b' V 直流母线短接； V 交流三相短路；
1
r
Id
Ld
a
b
r
3
4
ec
Lr
c'
V2
Id
第III阶段： ωt = 90° ~ 120°
ωt = 90°
阀V1、V3、V2、V4同时导通 换相瞬时完成； 交流三相短路只是在换相的瞬间存在；
整流器阀短路的故障特征
交流侧交替地发生两相短路和三相短路； 通过故障阀的电流反向，并剧烈增大，电流峰值 要比正常工作大许多倍； 交流侧电流激增，比正常工作电流大许多倍； 换流桥直流母线电压下降； 换流桥直流侧电流下降，但由于直流电抗器作 用，直流电流短时间内下降不多。
整流器阀短路的故障特征
ea
1 P3
i4 = I d = 0
2E I 其中，S 3 = 是三相短路电流的幅值。 3ωLr
第IV阶段： ωt = 120° ~ 阀V6开始导通
各阀电流特点 ωt = 150°， i3 有最大值
i3 max = 1.5 I S 2 − I S 3 [−1 + 0.866] = 1.5 I S 2 + 0.133I S 3 = 1.432 I S 3
eb ec
V3 V5
Lr
Id
i1 = I d − i3 − i5
V4
第IV阶段： ωt = 120° ~ 阀V6开始导通
可求得各阀电流为：
i5 = I S 3 [0.866 − cos(ωt − 90°)]
i3 = 1.5I S 2 − I S 3[cos(ωt + 30°) + 0.866]
i1 = I d − i3 − i5
阀V1和阀V2连续导通仅一个周波； 逆变器直流电压反向半周； 直流电流持续流过换流变，产生偏磁； 工频分量进入直流系统。
换相失败的故障特征
在一次换相失败中，接在交流同一相上的一对阀 同时导通，形成直流短路； 交流侧短时开路。 直流电流短时增大； 交流侧电流减少； 连续两次换相失败中，将有工频分量加到直流线 路上。
高压直流输电系统 控制与保护原理
华南理工大学 电力学院
换流器
换流器是直流输电系统中最为重要的元件，其故 障形式和机理与交流系统中的一般元件有很大差 别，保护动作后果也是根据故障形式和机理的不 同而有所差异。 在所有的直流工程中，都没有将阀电流引入到控 制保护系统中，都是通过换流器故障时除阀电流 外其他的电气量特性来判断是否发生换流器故障。 一方面是为了避免增加测量系统的复杂性，另一 方面也是为了简化保护逻辑。
第V阶段： ωt = 265.7° ~ 330°
各阀电流特征
i5 = 1.863I S 3 + I S 2 [cos 205.7° − cos(ωt − 60°)]
i1 = I d − i5
i6 = I d
ωt = 265.7°， i5 达到最大值
i5 = 1.863I S 3
第V阶段：ωt = 265.7° ~ 330°
阀V6开通，V4向V6换相 换相后，V1、V6导通 直流短路消失
此后恢复正常运行，则称为一次换相失败。
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M
V4
V6
V2
a' b' c' V1
N
V3 V5
换相失败过程的直流电流
由于直流电抗器的电感为有限值，线路上存在电容，在 换相失败时，直流电流有个增大过程。 分两种情况
整流器没有电流调节器 整流器有电流调节器
V3
V5
Lr
c'
V4
N
V6
V2
整流器阀短路故障分析
阀短路相当于阀在正反向电压作用下均能导 通，即阀失去了单相导通性。 整流器阀短路是换流器最严重的一种故障。 假设条件：
I α = 0 、d = 0 ；
阀V1向阀V3换相结束后，阀V1马上发生短路 C3点为 ωt = 0 。
M
ea
eb
ec
V1 V 3 V 5
逆变侧电流
Vdn i − 2σt idn = I d 0 + (1 − e )− 2R 2
R σ= 式中： 2 L
Vdz
ω1 =
2 −σ 2 LC
Vdn −σt i= e sin ω1t ω1 L
整流侧有电流调节
当整流侧有电流调节器，则可用恒流源代替。 整流侧电流 i = I dz d0 逆变侧电流
Lr Lr
a' b' c'
V4
V6 V2
Lr
第I阶段—— ωt = 0 以前
故障尚未发生 阀V1和阀V2正常导通 阀V1和阀V2的电流为
i1 = I d = 0
i2 = I d = 0
第II阶段——
阀V1向V3换相
ωt = 0 ~ 90°
ea
Lr Lr
在 ωt = 0 ，即 C3点
a' b' c'
Vdn −σt idn = I d 0 + e sin ω2t ω2 L2
R2 式中： σ = 2L2
ω2 ≈
1 L2C
L1 R1
idz = I d 0
R1 L2
i
＋ －
idn
连续换相失败
一次换相失败后，逆变器侧直流电流必然增加， 有可能造成连续换相失败。 阀V3换相失败后，阀V4也换相失败，称为连续换 相失败。
分析中假设 L1 = L2 = L
1 R = ( R1 + R2 + d r ) 2
整流侧无电流调节
当整流侧在故障瞬间定触发角运行，则相当于一 电压源。 L1 R1 R1 L2 整流侧电流
Vdn i − 2σt idz = I d 0 + (1 − e )− 2R 2
dr
idz
＋ －
i
＋ －
idn
第II阶段—— ωt = 0 ~ 90°
各阀电流的求解：
eab = 2 E sin ωt
di 2 Lr 3 = 2 E sin ωt dt
2E i3 = ( − cos ωt ) + A 2ωLr
ea
Lr
i3 = I S 2 (cos α − cos ωt ) = I S 2 (1 − cos ωt ) i1 = I d − i3 = − I S 2 ( 1 − cos ωt )
换相失败的影响因素分析
导致换相失败的各个因素之间的相互关系可以用 下面的数学式子表示：
γ = β −μ
换相角决定于多个因素，其计算式为
2Id X r μ = β − arccos( + cos β ) E
换相失败
造成逆变器换相失败的原因：
交流电压下降 直流电流增大 触发角过小 整定关断角太小 控制系统故障
换相失败
交流系统故障必然造成逆变器换相电压降低，从 而导致直流电流增加，在整流侧采用定电流控制 的情况下，虽然能抑制直流电流的增大，但电流 的瞬时增大是不可避免的。 换相电压的减少和直流电流的增大都将导致换相 角增大。 发生不对称故障时，将引起线电压过零点相对移 动，也会对阀的关断角造成影响。
换相失败故障过程分析
a'
V1
Id
Ld
eb ec
Lr
b' c'
V3 V2
Lr
Id
i2 = I d = 0
其中，I S 2 =
2E 2ωLr 是两相短路电流的幅值。
第II阶段——
ωt = 0 ~ 90°
ωt = 60° ，即C4点
阀V4触发，阀V4阳极对阴极的电压为负，不能导 通； 阀V1、V2、V3同时导通
ωt = 90°
a'
V1
Id
Ld
eb ec
V b' 5
c'
V2
Lr
Id
第VI阶段：ωt = 330° 以后
ωt = 360°，即C3点
阀V3又开始导通 V1、V5、V2和V3导通 交流三相短路、直流短接 阀V3的电流又从零开始增长，而阀V5的电流则进一步 降低
ωt = 400.5°
i5 降到零，阀V5关断
三相短路和直流状态均解除
其中
IS2 = 2E 3 2E = = 0.866 I S 3 2ωLr 2 3ωLr
在ωt = 150°时 i3 达到最大值，此后将单调减少；
i3 下降到零的时刻为ωt = 265.7°
故障阀V1的电流，在 ωt = 210°达到负的最大值
i1 = − 2.299 I S 3
第IV阶段： ωt = 120° ~ 265.7°
换流器故障
误开通 主回路故障 换 相 失 败 直流 侧出 口短 路 交流 侧相 间短 路 控制系统故障 不开通 交流 侧接 地短 路 直流 侧对 地短 路
阀 短 路
换流器阀短路
阀短路是换流器阀内部或外 部绝缘损坏或被短接造成的 故障，包括
整流器阀短路 逆变器阀短路
ea
eb
ec
Lr
M
f1
Lr
a'
V1 b'