高压直流输电故障特性分析王兆东

1、高压直流输电故障特性分析王兆东研电1401班 学号1142201182the fault analysis of hvdc systemwangzhaodongabstract: according to the failure of equipment in different regions of the hvdc fault can be as simple as de parts fault and communication failure, failure parts of any system will be harm to the normal operation of the

2、 system.failure of dc part including the inverter, dc switch field and grounding, decline fault. dc on both ends of the line connecting the rectifier and inverter station respectively, de transmission system is mainly composed of three parts.the normal operation of the hvdc system is affected by the

3、 connection on both ends of ac transmission system.any part of de system failure or abnormal condition will affect the whole the safety and reliability of dc transmission system and the safety of the equipment.key words: hvdc ; converter ； fault analysis摘要：按照发生故障的设备所在区域的不同hvdc的故障 可以简单的归为宜流部分故障和交流部分故

4、障，系统中任何 部分出现故障都会危害到系统的正常运行。真流部分的故障 包括换流器故障、直流开关场及接地极故障、直流线路故障。 直流线路两端分别连接療流站和逆变站，宜流输电系统就主 要由这三部分构成頁流输电系统的正常运行受到两端联接 的交流输电系统的影响。直流系统中任何一个部分发生故障 或者出现异常状态都会影响到聚个直流输电系统的安全可 靠性以及有关设备的安全。关键词：宜流输电换流器宜流线路故障0引言伴随着我国经济的飞速发展，接踵而来的是能 源紧缺和环境污染等问题，水、煤等能源的相对匮 乏使得我国着手大力开发和利用可再生清洁能源。 现今风能、太阳能等新型能源发电已在世界范围内 逐步扩展，新型、清

5、洁的可再生能源发电已成为电 力系统未來的发展方向。我国有着极其丰富的风能 资源，主要分布于东南沿海及品屿，西北、华北和 东北地区，而且实际可开发量可达2.3亿kw。我 国的风电场开发和建设在实施了风电特许权项目 以及国家2006年11!台可再生能源法之后进入 了快速发展阶段，从装机容量计算，我国已成为世 界第四大风电大国。但是作为可再生能源，风能分 散性强且远离负荷中心，风电接入系统后还会影响 整个电网的稳定情况。有数据显示，截至2008年 年底完成吊装的风机屮，约1/3的机组处于空转状 态。至此并网困难已经取代了电价偏低和风机成本 高，成为最近儿年我国风电爆发式增长中最为突出 的瓶颈。直流输

6、电技术在很大程度上缓解了这一 问题，它可以作为两个交流输电系统之间的联络 线，而这两个交流系统可以独立运行实现非同步运 行。综上所述直流输电技术对电网的发展有着重要 意义，交、直流输电系统也成为必然趋势。直流输电系统与交流输电系统在系统的网络 元件构成上有一定的差异，直流线路两端分别连接 着整流站和逆变站，直流输电系统就主要由这三部 分构成。换流站的结构较复杂它包括有交、直流开 关场中的一次设备、控制保护系统以及换流变压器 21o因此两种系统所表现出来的故障特征也有差别, 交流系统故障分析、处理的相关技术并不完全适用 于直流系统，因此有必要对直流输电系统进行故障 分析的研究。直流输电线路保护是

7、直流输电系统中很重要 的保护也是最基本的保护，它维持着直流输电线路 的正常工作。直流输电系统常用于远距离输电，其 线路跨度远，所以发生故障的概率大，直流输电线 路遇故障的快速恢复能直接影响到整个电网的安 全性和稳定性。1换流器故障换流器通常被比作是直流系统的心脏，作为直 流输电系统屮最重要的元件它的可控性以及单项 导通的特性也构成了直流输电系统故障行为的重 要特点。这些特点主要表现在换流阀的触发、导通、关断及其运行方式上，故障的形式和特性与交流输 电系统中的一般元件也有较大区别。在所有的直流 输电工程的控制保护中都没有引入阀电流，判断换 流器是否发生故障时都是通过阀电流之外的英它 电气量的特性

8、来判断的。这样做一方而是为了避免 增加测量系统的复杂性，另一方面也是为了简化保图3-1换流器主要故障fig.3-1 main fault point of converter1 交流测相间短路2交流侧接地短路3换流阀短路4,7直流侧出口短路5,6,8-直流侧对地短路换流器故障可以分为主回路故障和控制系统 故障，如图3-1所示换流器主回路故障分为换流阀 短路、换相失败、直流侧出口短路、直流侧接地短 路、交流侧相间短路、交流侧接地短路。控制系统 故障是指换流阀误开通或者不开通。1.1换流阀短路故障换流器阀正反向都失去阻断能力或者换流阀 的两端z间的外绝缘遭到破坏或是被短路造成的 故障。换流阀短路对

9、于换流器是最为严重的一种故 障，它包括整流器阀短路和逆变器阀短路。 1整流器阀短路整流器的阀臂在阻断期间，大都承受反向电 压。如果出现反向电压峰值人幅度的跃变换流阀就 很可能发生逆弧，继而造成瞬时反方向导通的阀臂 发生短路。另外当避雷器发生短路或者换流阀的绝 缘因冷却系统漏水汽化而损坏也会引起换流阀短 路。发生短路的阀臂就相当于在正、反向电压的作 用下均能导通，即阀失去了单向导通性，并且某阀 一旦出现短路会立即与同半桥正处于导通状态的 阀构成支流两相短路，图32为6脉动换流器阀 短路时引起两相短路和三相短路的等效电路图。图3-2 6脉动换流器发生阀短路时的等效电路fig.3-2 the equ

10、ivale nt circuit of 6 pulse con verter whenit's valve is shorted图中以阀vt |发生短路故障为例，假设阀vt! 在向阀vt3换相结朿后立即出现短路，即相当于 阀vt）反方向导通，此时阀vt|和vt3形成交流 两相短路。根据整流器阀的触发导通顺序，当c相 电位上升等于b相电位，再延迟a角度（阀vt5 的触发脉冲到达）阀vt5被触发，此时会形成交流 三相短路。因此，整流器的阀发生短路故障会给整 流器阀以及有关回路带来过电流，尤其是当整流器 处于空载状态，触发角«=0°时，如果换流阀发生 短路就会产生最大的故

11、障电流。对于12脉波整流器，串联的两个6脉波整 流器其中任意一个发生短路故障，另一个整流器都 会因为交流侧岀现短路电流而受换相电压减小的 影响，最后12脉波整流器的电流降低继而影响直 流功率下降。1.1.2逆变器阀短路逆变器阀臂在阻断期i、可大都承受的是正向电 压，电压过高或者电压上升速率过快都会对阀臂的 绝缘造成影响而使其损坏，阀绝缘受损后阀借便会 发生短路心。以6脉动逆变器为例图33,假设逆 变器的阀vt|处于关断状态，加上正向电压后该阀 发生短路，这就相当于此阀重新开通与阀vts发生 倒换相，当到了阀vt4导通的时刻，vt与vt4 将会形成直流侧的短路。id 乂n。（i 11?vtr一-

12、vi(l7 vt2图3-3六脉动逆变电路fig3-3 six pulse inverter circuit1.2逆变器换相失败换相失败是指在两个阀臂换相过程屮，电流未 能完成从导通的阀臂向相继导通的阀臂的转换使 换相不能成功进行，它是逆变器中最常见的故障。换相失败具体表现为两换流阀z间的换相过 程未能进行完毕，或者表现为预计退出导通状态的 阀关断后在反向电压期间未能恢复阻断能力，当加 在该阀上的电压为正时阀臂被重新导通，而预计要 导通的阀则会被重新关断也就是发牛倒换相。发主 换相失败时，逆变器的直流侧会出现短时间的短 路，致使直流电流增加。直流电流的增加进一步导 致逆变器换相角变大，进而可能导

13、致逆变器英它后 续的阀臂也岀现换相失败，如此一来就会延长直流 系统短路故障的持续时间，最终甚至会导致直流系 统的控制和保护系统启用故障紧急停运功能，致使 整个直流输电系统终止运行。通过上述对换相失败现象的分析，由于整流器 桥阀上的电压在其关断后很长一段时间内都为反 向电压所以整流器一般只有在触发电路发生故障 时才有可能发生换相失败，通常所指的换相失败都 指逆变侧。常见的引起换相失败的原因有逆变侧换流阀 短路、逆变侧联接的交流系统发生故障、交流电压 上升速率过大、逆变角过小、逆变器丢失触发脉冲 等。逆变侧的换流阀短路与换相失败的过程基本相 似。逆变器丢失触发脉冲就会使得触发时缺少触发 脉冲，不能

14、及时的触发预计导通的阀，需要换相的 阀也因不能够及时的倒换电流而继续导通，就会岀 现阀臂短路。当交流系统发生故障时会影响单相或 多相交流电压降低，换流器的熄弧角减小或者逆变 电压降低就会导致正处于换相期间的阀在不能及 时恢复阻断能力的情况下又承受正向电压而继续 开通。还有一种情况就是当交流电压上升的速率过 大时，换流阀在阻尼均压电路的作用下有可能使品 闸管的门极上感应到电压，从而导致晶闸管自行导 通引起换相失败。当逆变器发生换相失败后直流侧出现短路，则 直流系统的逆变侧将失去反电动势。这时假设整流 侧的定触发角控制作用，整流侧就相当于一个电压 源，由于直流侧平波电抗器的电感是有限值，直流 线路

15、上述存在电容，当发生换相失败时，直流电流 有个增大的过程。1.3换流器直流侧出口短路图3-1中的4和7即为直流侧出口短路的 故障点，这种故障就是指换流器直流端子之间发生 的短路故障。由于整流器和逆变器运行方式不同， 所以耍把整流器和逆变器发生直流侧出口短路分 开来分析。13.1整流器直流侧出口短路整流器直流侧短路也是直流系统常见的一种 故障，其严重性仅次于整流阀短路，它与阀短路最 大的区别就是发生直流侧出口短路后换流器的阀 仍可以保持单向导通性冈。以6脉动的整流器为例分析当其发生直流侧 出口短路吋的特性。假设整流器运行在理想的空载 状态(a=0°, id=0 ),在阀vt和阀vt3换

16、相结 束之后，阀vt2 , vt3导通时发生短路，这时会 引起交流侧b、c两相短路，如图3-4中b所示。 按照整流器阀的导通次序，当3件60°时，阀 v 导通，这时会形成交流侧三相短路，如图3-4屮c 所示。当wt=120°时，阀vt5的触发脉冲到來，但 由于直流短路的原因，阀vt5处于很小的反向电 压作用下不能开通，等到vt?的电流i2=0阀关断 后阀vt5才能开通，此吋仍是三相短路状态。综上所述，如杲直流侧出口短路出现在换流阀 的正常工作期间，则相当于发生了交流的两相短 路，并且当下一个阀臂导通时会形成交流三相短 路。如果直流侧出口短路发生在换相期间，则相当 于发生了交

17、流三相短路。1.3.2逆变器直流侧出口短路逆变器直流出口短路的故障点如图3-1中的 4和7所示，与整流器直流侧出口短路相似，不 同之处在于，在直流线路和平波电抗器的作用下， 直流线路的故障电流和电流上升的速度都较小而 且逆变器各个桥阀上的电流会在短时间内降到零， 所以故障不会对逆变器及换流变压器构成危害叨。 在实际的运行中，逆变器的每个阀臂在被触发时都 会存在瞬时充电电流，整流侧一般都设有相关的电 流控制设备，通过其电流调节器的作用，故障电流 可以得到一定的控制，但却不能完全消除短路故 障。1.4换流器交流侧相间短路图3-1中的1即为换流器交流侧相间短路的 故障点，此故障直接导致交流侧形成两相

18、短路，对 整流器和逆变器也有不同的影响。1.4.1整流器交流侧相间短路整流器交流侧发生相间短路后，整流器将失去 两相换相电压，整流器将不能正常换相以致其直流 电压、电流及直流功率都会受到影响而迅速下降。 交流侧因为在换流变压器电抗的作用下电压下降 不多。12脉动的整流器中如果其中一个6脉动换 流器发生交流侧相间短路故障也会影响另一个非 故障换流器的正常运行，尽管有换流变压器电抗的 作用其交流电压降低较小但还是会影响其直流电 压和电流，这些值都会相应减小。1.4.2逆变器交流侧相间短路与整流器相似，交流侧发生相间短路，即逆变 器失去两相换相电压并且相位不正确，直接导致的 后果就是逆变器出现换相失

19、败，其直流电流升高， 交流侧电流减小。另一方面，交流侧相间短路对于 受端的交流系统來说也是两相短路故障，同时会产 生短路电流，对于12脉动的逆变器，受端电网两 相短路也会影响到另一个非故障的换流器发生换 相失败。1.5换流器交流侧单相对地短路如图3-1中2所示，交流侧单相对地短路与 阀短路故障相似，同样整流侧和逆变侧对此故障会 产生不同特点的故障。1.5.1整流器交流侧发生单相对地短路交流侧发生单相对地短路故障直接会导致整 流器中导通的阀中流入故障电流。故障电流的路径 是通过换流站的接地网和直流接地极，到达直流的 屮性端，从而形成相应阀臂短路。所以短路回路的 电阻会相应的增加，但故障电流相较阀

20、短路故障的 略有减小。另外，整流器交流侧发生单相对地短路 故障还会带來其它一些影响：换流变压器将受到强 大的电流冲击；在直流侧还会出现二次谐波分量， 如果该谐波的频率与直流回路的固有频率接近则 有可能引起直流回路发生谐振。1.5.2逆变器交流侧发生单相对地短路逆变器交流侧发生单相对地短路与整流侧故 障吋相同故障电流的路径是通过换流站的接地网 和直流接地极，到达直流的中性端，从而形成相应 阀僭短路。逆变器交流侧出现单相短路后逆变侧的 直流电流升高，交流电流降低，检测到电流变化后 动作，直流电流得到控制，逆变站换相解除直流短 路。1.5.3换流器的其它故障类型换流器除了上述的几种故障类型还有其它几

21、 种故障类型，如直流侧对地短路（图31屮5,6,8 所示），另外还有一种控制故障包括误开通和不开 通。针对图3-1中故障点5即12脉动换流器的 直流侧中性点对地短路，低压端的换流器通过站接 地网及直流接地极（在站内接地开关闭合时不通过 接地极），到达直流中性点形成低压端的6脉波 整流器直流端短路。发生短路会导致直流回路的电 阻变小，阀电流以及交流侧的电流、直流中性点电 流变大，直流极线上的电流降低。故障点8为换 流器直流中性端对地短路，因为中性端一般都处于 地电位，所以这一故障对换流器的正常运行不会产 生很大影响。由于短路电阻是与接地极电阻并联 的，所以流经中性点的直流电流需要被重新分配。 控

22、制系统故障主要表现为触发脉冲不正常，直流系 统的换流器直接市触发脉冲控制，因此控制系统故 障会彫响整流器的正常工作主要表现为不开通和 误开通【。引起换流阀不开通的常见原因包括丢失 触发脉冲或者门极控制回路发生故障。对于整流 器，如果出现阀不开通的故障就会形成旁路导致直 流压降低，同时直流电流也会随着直流电压的变化 而变化。对于逆变侧，发生阀不开通会导致已经开 通的阀臂会继续保持导通，直流电流增大，直流电 压降低。另一种由控制引起的故障误开通对于整流器 带來的影响是直流电压和电流都会稍加增大，整流 器的各个阀臂在关断期间多数吋间承受的是反向 电压，反向击穿或者误开通的概率都不大，即使发 生了误开

23、通，就相当于该阀被提前导通了，对整流 器的正常工作影响不大。对于逆变器，因为阀臂在 关断时期承受的是正向电压，如果发生过电压或者 阀的控制触发回路发生故障、电压上升速率过高就 有可能会引起逆变器的阀谋导通。逆变器的阀发生 误导通的特征就是直流电压降低，直流电流增大或 者出现换相失败，只要得到控制就可以清楚故障。2直流线路故障2.1雷击直流输电线路与直流线路遭遇雷击的特点不 同。以双极直流系统來说，系统的两根极线的极性 相反。根据同性相斥，异性相吸这一原则，带电云 很容易向与之不同极性的直流极线放电。所以，直 流系统的两个极在同一地点同时遭遇雷击的概率 几乎为零。通常，直流线路遭遇雷击的时间很短

24、， 直流电压受雷击影响会瞬时间升高，如果直流线的 绝缘不能承受此时的电压，就会发生直流线路对地 闪络放电的现象。交流输电线路与直流不同，它的 三相电压互差，并且各相以工频交替变化，所以交 流输电三相的线路在相同的避雷措施下遭遇雷击 的概率是一样大的。2.2对地闪络除了上述雷击之外，如果直流线路的杆塔的绝 缘受雨雪雾、树枝、污秽等环境影响而受损变坏了, 也会出现对地闪络。如果发生直流线路对地闪络而 不能及吋地采取措施切除直流电源的话，熄弧会很 困难。直流输电线路在发生对地闪络后，其电压和 电流的变化会从闪络点向两端的换流站传播。由行 波理论可知，两端测量到的电压和电流均可看作是 前行波与后行波的

25、叠加。用ta)(表示前行波， tb)(表示后行波，z表示波阻抗，则电压、电流的 瞬时增量可表示如下：aw( /) = d(/)-/?(/)/22-1ak/) = m)+ b(r)/2z2-2电压的突然变化也会引起线路突然放电，对输 电系统产牛涌流。这些波的连续的反射会使线路上 产生高频的暂态电压和电流。2.3直流线路断线直流线路的断线给直流系统带来开路的故障， 直流电流下降为零，整流器的电压上升到其最大限 制。2.4高阻接地直流线路发牛树木碰线等高阻接地故障时两 端的换流站会因直流电流短路而存在电流差值，但 故障引起的电压、电流变化不能被行波保护检测 到。2.5交、直流线路碰线直流输电线路较长

26、，途中难免会与许多不同电 压等级的交流输电线路相交，长期如此运行，便有 可能会发生交、直流的线路相碰。此故障带来的影 响就是直流线路中将会出现工频交流分量。3直流系统其它故障类型直流输电系统除了上述换流器及直流线路故 障外，它还有直流开关场与接地极故障和换流站交 流侧的故障，这些故障同样也影响着直流输电系统 的正常运行。3.1直流开关场与接地极故障直流极母线故障：指的是换流器高压出线端至 高压直流线路起始端的直流电流变送器z间的架 空管母线(包括平波电抗器)连接的直流场设备的 对地故障。发生此类故障的故障特征为：对于整流 站相当于直流侧岀口对地短路故障；对于逆变器相 当于发生直流线路末端对地短

27、路故障。中性母线故障：指的是换流器低压出线端至双 极中性线汇合点处的直流电流变送器之间的架空 管母线(包括高速屮性母线开关)连接直流设备的 接地故障。双极系统屮性母线故障特征与接地极引 线对地短路相似。直流滤波器故障：直流滤波器一般连接在直流 极母线与中心线母线中间，它一般由电容、电感和 电阻等原件组成。直流滤波器发生接地故障，除了 会影响直流极线上或小性极线上两端的电流出现 差值，发生故障的滤波器的极线端和中性端也会出 现电流差值，此外流过滤波器的电流也会增大，不 同滤波器组之间述会有不平衡电流。直流接地极和 引线故障：在设计接地极吋为了避免换流站接地网 和换流变压器被直流影响，一般都把接地

28、极建在远 离换流站几十公里的地方，换流站和接地极之间通 过接地极引线进行连接。如果接地极引线出现断路 故障，这时就没有电流流过接地极，换流站和接地 极没有了联接站内就是去了参考电位进而引起中 性母线电压增大。3.2换流站交流侧故障交流侧发生故障对直流系统的影响主要是通 过加在换流器上的换相变压的变化而引起的，一般 影响直流系统正常运行的因素有交流系统电压下 降的速率以及幅值和相位的变化。换流站交流侧可 能会发生的故障包括换流变压器和辅助设备发生 故障、换流站交流侧三相接地短路故障、换流站交 流侧单相接地故障、交流滤波器故障和换流站用电 设备故障。下面主要介绍一下交流侧三相短路故障 以及单相接地

29、故障。3.2.1交流侧三相短路故障整流侧的交流系统三相短路对直流系统的影 响主要是直流电压和电流下降引发直流的输送功 率下降，不会产生危及直流设备的过电压和过电 流，所以并不需要停运，交流系统的故障一旦被清 除，直流功率就会迅速恢复正常。根据理论分析可 知，整流侧的交流系统发生三相短路故障时，整流 侧换相电压的变化与故障点距换流站的电气距离 密切相关。3匕=1.35耳 cosa x j” 3-1式中，udl是整流器的直流电压；a是触发 延迟角；xy是整流器的等值换相电抗；e是整 流器的换相电压的有效值；i d是整流器的直流电 流。从3-1式可以看出，交流侧发生三相短路的故 障点离换流器越近，整

30、流器换相电压的有效值1e 下降就越大，从而使得整流器的直流电压udi下降 的幅度也越大，直至换相电压减小至零，这对整流 器的影响很大。逆变侧交流系统发生三相短路故障 相较整流侧要复杂，故障发生后，换相电压降低， 直流电流增大最终可能会引起换相失败。交流系统 的强弱以及发生三相短路的故障点距逆变站的电 气距离也与交流电压下降的速度及幅值有关。根据 理论分析可知交流系统越弱且故障点距逆变站的 距离越近则换相电压下降的速度就越快，下降的幅 值也越大，这时很容易引发换相失败。逆变器直流 电压、关断角及换相角的关系式如下：ud2 = 1.35e2 cos y-(3 / 7r)xr2id 3-2笑=cos

31、-1 cos/ (1.35£) - y 3-33y= cos(s2 + x”打)/(1.35艮)3-4_兀式中，xy2是逆变器的等值换相电抗；e2是 逆变器换相电压的有效值；ud2和儿分别是逆变 器的直流电压和电流；p是逆变器的超前触发角 (a =180°-b ) ； g2和y为逆变器的换相角和关 断角(3 = y+g2)o换相电压e2受到交流系统三 相短路故障的影响而下降，由式3-2可知2e降低 会影响ud2下降id上升，通过式3-3可知上述变 化均会引起逆变器的换相角出增大，关断角丫减 小。当y <ymin吋，逆变器就会发生换相失败。 综上所述，逆变器在交流系统发

32、生三相短路故障后 是否会发生换相失败与换相电压有效值e?下降的 幅值和速率、直流电流id上升的速率以及关断角y 调节器的增益和时间常数等因素有关说】。3.2.2交流侧单相短路故障换流站的交流侧发生单相短路故障与三相短 路故障最大的区别就是对换相电压过零点的影响。 整流侧的交流系统发牛 单相短路故障直接引起整 流器的换相电压不平衡使得直流系统屮出现2次 谐波分量。同三相短路故障相似，单相短路故障也 会引起整流器直流电压和电流减小，但输送功率没 有三相短路故障下降的多。一旦交流系统的三相短 路故障被消除，直流系统也将迅速恢复正常运行。逆变侧的交流系统发生单相短路故障会引起 线电压过零点发生变化，造

33、成连续换相失败。在实 际运行中，因为有关断角调节器的作用，为了保证 关断角满足正常运行的需求，触发角会被减小，换 相失败很快就能恢复正常换相，但逆变器的直流电 压的平均值会比正常值低而且还会增加较大的 100hz分量。4结论直流输电系统主要由整流站、逆变站、直流输 电线路以及接地极系统构成。换流站内的设备较为 复杂，包括有换流器(整流器和逆变器)和交、直 流开关场一次设备及控制保护系统的二次设备。此 外，直流输电系统的正常运行还会受到两端联接的 交流输电系统的影响。直流系统中任何一个部分发 生故障或者出现界常状态都会影响到整个直流输 电系统的安全可靠性以及有关设备的安全。参考文献1 jos arrilaga. high voltage direct current transmission m. 2nd ed. england: sort run press ltd. 1998。2 祐民晓，文俊，徐永海.离圧直流输电原理及运行m.北京：