第25卷增刊 电 网 技 术 V ol. 25 Supplement 2001年12月 Power System Technology Dec. 2001
高压直流输电故障特性分析
王兆东
研电1401班 学号 1142201182
The Fault Analysis of HVDC System
WANGZhaodong
ABSTRACT: According to the failure of equipment in different regions of the HVDC fault can be as simple as dc parts fault and communication failure, failure parts of any system will be harm to the normal operation of the 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, dc transmission system is mainly composed of three parts.The normal operation of the HVDC system is affected by the connection on both ends of ac transmission system.Any part of dc 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直流部分故障和交流部分故障，系统中任何部分出现故障都会危害到系统的正常运行。直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整流站和逆变站，直流输电系统就主要由这三部分构成。直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整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：直流输电 换流器 直流线路故障
以及国家2006年出台《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中，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，成为最近几年我国风电爆发式增长中最为突出的瓶颈[1]。直流输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[2]。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[3]。
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、清洁的可再生能源发电已成为电力系统未来的发展方向。我国有着极其丰富的风能资源，主要分布于东南沿海及岛屿，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
1 换流器故障
换流器通常被比作是直流系统的心脏，作为直流输电系统中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
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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其它电气量的特性来判断的。这样做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系统的逻辑。
图3-1 换流器主要故障
Fig.3-1 Main fault point of Converter 1-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之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[4]。 1.1.1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大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 3-2 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 equivalent circuit of 6 pulse converter when
it's valve is shorted
图中以阀VT 1发生短路故障为例，假设阀VT 1 在向阀VT 3 换相结束后立即出现短路，即相当于阀VT 1 反方向导通，此时阀VT 1 和VT 3 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α 角度（阀VT 5 的触发脉冲到达）阀VT 5 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α=0o 时，如果换流阀发生短路就会产生最大的故障电流[5]。
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出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间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，阀绝缘受损后阀臂便会发生短路[6]。以 6 脉动逆变器为例图3-3，假设逆变器的阀VT 1 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VT 3 发生倒换相，当到了阀VT 4 导通的时刻， VT 1 与VT 4 将会形成直流侧的短路。
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图3-3 六脉动逆变电路 Fig3-3 Six pulse inverter circuit
1.2 逆变器换相失败
换相失败是指在两个阀臂换相过程中，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之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生倒换相。发生换相失败时，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，进而可能导致逆变器其它后续的阀臂也出现换相失败，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[7]。
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，就会出现阀臂短路。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晶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，直流线路上还存在电容，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，所以要把整流器和逆变器发生直流侧出口短路分开来分析。
1.3.1 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[8]。
以 6 脉动的整流器为例分析当其发生直流侧出口短路时的特性。假设整流器运行在理想的空载状态（ α=00，I d =0 ），在阀VT 1和阀VT 3 换相结束之后，阀VT 2 ，VT 3 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ωt=60o 时，阀VT 4 导通，这时会形成交流侧三相短路，如图 3-4 中 c 所示。
当ωt=1200 时，阀VT 5 的触发脉冲到来，但由于直流短路的原因，阀VT 5 处于很小的反向电压作用下不能开通，等到VT 2 的电流 i 2= 0阀关断后阀VT 5 才能开通，此时仍是三相短路状态。
综上所述，如果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[9]。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
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故障点，此故障直接导致交流侧形成两相短路，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来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，到达直流的中性端，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来其它一些影响：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[10]。
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时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，从而形成相应阀臂短路。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种故障类型，如直流侧对地短路（图 3-1中 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由触发脉冲控制，因此控制系统故障会影响整流器的正常工作主要表现为不开通和误开通[11]。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来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时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误导通。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。以双极直流系统来说，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
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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，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时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：
∆（u t ）=⎡⎣a (t )-b (t )⎤⎦/2 2-1 ∆（i t ）=⎡⎣a (t )+b (t )⎤⎦/2Z 2-2
电压的突然变化也会引起线路突然放电，对输
电系统产生涌流。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
直流线路发生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，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之间的架空管母线（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出口对地短路故障；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（包括高速中性母线开关）连接直流设备的接地故障。双极系统中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中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，不同滤波器组之间还会有不平衡电流。直流接地极和引线故障：在设计接地极时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
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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。
U d 1=1.35E 1cos α-
3
π
X γ1I d 3-1
式中， U d1 是整流器的直流电压；α 是触发延迟角； X γ1是整流器的等值换相电抗； E 1 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U d1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：
U d 2=1.35E 2cos γ-(3/π) X γ2I d
3-2μ2=cos -1[cosγ-6X γ2I d /(1.35πE 2)]-γ
3-3
γ=cos -1
[(U d 2+
3
π
X γ2I d ) /(1.35E 2)] 3-4
式中， X γ2是逆变器的等值换相电抗； E 2 是
逆变器换相电压的有效值； U d2 和I d 分别是逆变器的直流电压和电流；β 是逆变器的超前触发角（α =180o -β）；µ2 和γ 为逆变器的换相角和关断角（β=γ+µ2）。换相电压E 2 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U d2 下降I d 上升，通过式 3-3 可知上述变化均会引起逆变器的换相角µ2 增大，
关断角γ 减小。当γ
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生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中出现 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异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。
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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直流部分故障和交流部分故障，系统中任何部分出现故障都会危害到系统的正常运行。直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整流站和逆变站，直流输电系统就主要由这三部分构成。直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整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：直流输电 换流器 直流线路故障
以及国家2006年出台《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中，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，成为最近几年我国风电爆发式增长中最为突出的瓶颈[1]。直流输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[2]。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[3]。
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、清洁的可再生能源发电已成为电力系统未来的发展方向。我国有着极其丰富的风能资源，主要分布于东南沿海及岛屿，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
1 换流器故障
换流器通常被比作是直流系统的心脏，作为直流输电系统中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
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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其它电气量的特性来判断的。这样做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系统的逻辑。
图3-1 换流器主要故障
Fig.3-1 Main fault point of Converter 1-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之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[4]。 1.1.1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大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 3-2 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 equivalent circuit of 6 pulse converter when
it's valve is shorted
图中以阀VT 1发生短路故障为例，假设阀VT 1 在向阀VT 3 换相结束后立即出现短路，即相当于阀VT 1 反方向导通，此时阀VT 1 和VT 3 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α 角度（阀VT 5 的触发脉冲到达）阀VT 5 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α=0o 时，如果换流阀发生短路就会产生最大的故障电流[5]。
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出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间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，阀绝缘受损后阀臂便会发生短路[6]。以 6 脉动逆变器为例图3-3，假设逆变器的阀VT 1 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VT 3 发生倒换相，当到了阀VT 4 导通的时刻， VT 1 与VT 4 将会形成直流侧的短路。
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图3-3 六脉动逆变电路 Fig3-3 Six pulse inverter circuit
1.2 逆变器换相失败
换相失败是指在两个阀臂换相过程中，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之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生倒换相。发生换相失败时，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，进而可能导致逆变器其它后续的阀臂也出现换相失败，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[7]。
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，就会出现阀臂短路。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晶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，直流线路上还存在电容，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，所以要把整流器和逆变器发生直流侧出口短路分开来分析。
1.3.1 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[8]。
以 6 脉动的整流器为例分析当其发生直流侧出口短路时的特性。假设整流器运行在理想的空载状态（ α=00，I d =0 ），在阀VT 1和阀VT 3 换相结束之后，阀VT 2 ，VT 3 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ωt=60o 时，阀VT 4 导通，这时会形成交流侧三相短路，如图 3-4 中 c 所示。
当ωt=1200 时，阀VT 5 的触发脉冲到来，但由于直流短路的原因，阀VT 5 处于很小的反向电压作用下不能开通，等到VT 2 的电流 i 2= 0阀关断后阀VT 5 才能开通，此时仍是三相短路状态。
综上所述，如果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[9]。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
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故障点，此故障直接导致交流侧形成两相短路，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来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，到达直流的中性端，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来其它一些影响：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[10]。
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时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，从而形成相应阀臂短路。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种故障类型，如直流侧对地短路（图 3-1中 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由触发脉冲控制，因此控制系统故障会影响整流器的正常工作主要表现为不开通和误开通[11]。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来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时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误导通。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。以双极直流系统来说，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
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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，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时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：
∆（u t ）=⎡⎣a (t )-b (t )⎤⎦/2 2-1 ∆（i t ）=⎡⎣a (t )+b (t )⎤⎦/2Z 2-2
电压的突然变化也会引起线路突然放电，对输
电系统产生涌流。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
直流线路发生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，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之间的架空管母线（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出口对地短路故障；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（包括高速中性母线开关）连接直流设备的接地故障。双极系统中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中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，不同滤波器组之间还会有不平衡电流。直流接地极和引线故障：在设计接地极时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
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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。
U d 1=1.35E 1cos α-
3
π
X γ1I d 3-1
式中， U d1 是整流器的直流电压；α 是触发延迟角； X γ1是整流器的等值换相电抗； E 1 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U d1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：
U d 2=1.35E 2cos γ-(3/π) X γ2I d
3-2μ2=cos -1[cosγ-6X γ2I d /(1.35πE 2)]-γ
3-3
γ=cos -1
[(U d 2+
3
π
X γ2I d ) /(1.35E 2)] 3-4
式中， X γ2是逆变器的等值换相电抗； E 2 是
逆变器换相电压的有效值； U d2 和I d 分别是逆变器的直流电压和电流；β 是逆变器的超前触发角（α =180o -β）；µ2 和γ 为逆变器的换相角和关断角（β=γ+µ2）。换相电压E 2 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U d2 下降I d 上升，通过式 3-3 可知上述变化均会引起逆变器的换相角µ2 增大，
关断角γ 减小。当γ
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生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中出现 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异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。
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