陈铁敏，浦琴琴，徐 明

（国网上海市电力公司检修公司变电检修中心，上海 200063）

0 引言

目前，国家电网公司已经投运跨区直流输电工程14个，换流站25座，输送容量42.25 GW。作为国家电网主网架的重要组成部分，“十二五”期间，还将有一大批跨区直流输电工程开工建设并投运。

直流输电有利于改善两侧交流系统的稳定性，可以实现交流系统的非同步运行，是实施电力资源优化配置的重要战略通道，具有输送容量大、输电距离长、技术先进、设备复杂等特点，因此对设备运行维护提出了更高的要求。

本文叙述一起由区域电网交流系统故障引起直流系统逆变站换相失败的事故，通过分析事故原因和特征，提出相应的改进建议，用以提高运检人员分析直流换相失败的能力和更好地做好运行维护工作。

1 换相失败的特征与判据

换相失败是逆变器常见的故障，当逆变器两个阀进行换相时，因换相过程未能进行完毕，或者预计关断的阀关断后，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，立即重新导通，则发生了倒换相，使预计开通的阀重新关断，这种现象称之为换相失败［1］。由逆变器多种故障所造成的结果均会引起换相失败，如逆变器换流阀短路、逆变器丢失触发脉冲、逆变侧交流系统故障等均会引起换相失败。

换相失败有以下特征：关断角小于换流阀恢复阻断能力的时间；6脉动逆变器的直流电压在一定时间内下降到零；直流电流短时增大；交流侧短时开路，电流减小；基波分量进入直流系统。

当直流系统发生换相失败故障时，为避免对系统造成伤害，根据换相失败的上述特征，直流保护系统采用换相失败保护，其判据为：

式中：IacY、IacD分别为换流变阀侧电流；IdP为直流极母线电流；IdNC为中性母线电流。

换相失败保护检测到故障后，先进行短暂的延时，以确认故障的发生。保护首先报警，并采取一定措施防止连续换相失败。在正常情况下投旁通对时，该保护功能自动退出。保护动作后果：换相失败告警；增大熄弧角命令；启动极控系统切换命令；紧急停运；跳交流断路器；启动断路器失灵保护；锁定断路器；极隔离。

2 换相失败事故分析

2.1 事故特征

1）交流系统 在逆变站双极直流系统出现换相失败故障的同时，交流电网中110 k V线路曾出现故障跳闸，同时交流电网的系统频率、电压和供电负荷均受到不同程度的影响：系统频率最高升至50.446 Hz，最低至49.799 Hz；220 k V交流系统的电压大幅跌落，其余各电压等级系统的电压也受到不同程度的影响；由于受电压波动的影响，还造成交流电网的负荷略有波动。

2）直流系统 在故障发生时，OWS事件发S2 P1PR1 A／B和S2 P2PR1 A／B系统，“换流器换相失败被检测到”、“检测系统低交流电压被检测到”、“保护发出增大GAM MA角命令”；换流器换相失败，极Ⅰ在61 ms复归、极Ⅱ在53 ms复归。该直流换流站发生2次由于区域电网故障引起的换相失败，故障期间导致该区域电网的频率分别为50.45 Hz和50.8 Hz，造成了重大的影响。

初步分析认为，这是一起由区域电网的交流故障引起直流系统逆变站换相失败的事故。

2.2 事故原因

2.2.1 直流系统

1）极I扰动分析 2012年4月5日20：14：55：772，极I换相失败原因分析录波图，如图1所示。

由图1可见，在标线0.580 s后，交流电压的变化引起直流电压略有下降，因此交流／直流电流上升。由触发角和关断角变化可见，换相失败前为维持直流电压，电压控制使触发角又增大1.0°，关断角控制还未投入减小触发角，关断角裕度仍不能补偿换相电压畸变造成的相位偏移，17.6 ms后实测关断角，由正常时的23°降到4.0°，首先D桥6号阀向2号阀的换相失败，紧接着Y桥3号阀向5号阀换相也发生失败。图1中换相失败标记先于交流欠压标记发出，说明交流电压的波形畸变影响大于幅值下降的影响。

图1 极Ⅰ换相失败原因分析

2012年4月5日20：14：55：772，极Ⅰ换相失败影响分析录波图，如图2所示。

图2 极Ⅰ换相失败影响分析

由图2可见，这次由交流系统故障引起的换相失败扰动，经过612 ms恢复。在换相失败前交流电压有效值仅下降2 k V，由于2个换流器先后发生换相失败，直流电压下降到零，直流电流最大高达1 506 A；换相失败后约60 ms直流电流被整流侧电流调节器控制到零。在此之前，除了直流瞬时短路之外，交流侧电流随着直流侧电流变化，换流站吸收的无功功率增加255 Mvar，换相电压有效值由正常时的131 k V降到69 k V。在此之后，向系统增加吸收的无功功率下降到零，交流换相电压恢复；换相失败标记为53 ms，交流欠压标记为82 ms消除；故障后直流电流经过208 ms，直流电压经过294 ms逐渐恢复。

从图2还可以看到，在故障2 s后还有一个15 ms的扰动，交流母线电压有效值从133.1 k V降到129.9 k V，直流电流增加40 A。这是某交流线路重合引起的，由于重合不成功故障线路切除，未再引起直流系统换相失败，扰动后225 ms恢复。

2）极Ⅱ扰动分析 2012年4月5日20：14：55：772，极Ⅱ换相失败原因分析录波图，如图3所示。

图3 极Ⅱ换相失败原因分析

由图3可见，在标线0.581 s后，交流电压的变化引起直流电压下降，因此交流／直流电流上升，9 ms后关断角由正常时的22°降到4.0°，首先Y桥6号阀向2号阀换相失败，紧接着D桥6号阀向2号阀也换相失败。如图3显示，换相失败标记先于交流欠压标记发出，说明交流电压的波形畸变影响大于幅值下降的影响。

2012年4月5日20：14：55：772，极Ⅱ换相失败影响分析录波图，如图4所示。

图4 极Ⅱ换相失败影响分析

由图4可见，这次交流系统故障引起的换相失败扰动，543 ms就完全恢复。在换相失败前交流电压有效值还未来得及反应，由于2个换流器先后发生换相失败，直流电压下降到零，直流电流最大达到1 518 A。换相失败后约59 ms，直流电流被整流侧电流调节器控制到零；在此之前，直流短路时间很短，短路解除后交流侧电流随着直流侧电流变化，换流器吸收的无功功率也迅速增加255 Mvar，换相电压有效值由正常时的131 k V降到69 k V。在此之后，向系统增加吸收的无功功率下降到零，交流换相电压恢复；换相失败标记为61 ms，交流欠压标记为71 ms消除；故障后的直流电流经过219 ms，直流电压经过314 ms后逐渐恢复。同极Ⅰ一样，在故障2 s时还有一个扰动。

比较两个极换相失败时间，极Ⅱ比极Ⅰ早发生8 ms，这是由于交流系统故障的地点和故障时刻，对逆变站换相电压的畸变影响造成的；对于换流母线电压和与系统交换的无功功率两个极是共同作用的。

3 仿真分析

对换流站母线的电压和系统稳态频率进行仿真，稳定计算结果曲线如图5所示。

图5 稳定计算结果曲线

根据实测曲线，故障期间换流站母线非故障相电压跌落至50%，系统稳态频率最高升至50.44 Hz。仿真结果显示，换流站母线非故障相电压跌落至50%，系统频率最高升至50.4 Hz，基本再现了事故期间的系统响应。

综合以上分析不难发现：

1）本次故障由交流系统的扰动引起，110 k V线路发生了B相接地短路，换流站母线电压略有下降，引起直流电压下降、直流电流上升、换相角加大，换流器吸收无功功率增加，而使母线电压畸变导致实际关断角快速减小，逆变侧定关断角控制还未起作用，就发生了换相失败。

2）在换相失败故障发生后，由于逆变器直流侧暂时短路，引起直流电流的快速大幅增加和直流电压的下降；直流短路解除时，交流电流随着直流电流的增加而增加，换流单元吸收的无功功率大幅度增加，交流母线电压畸变，幅值大幅度下降；之后，在整流侧电流控制系统的调节下，直流电流下降到零，换流单元吸收的无功功率接近为零，交流母线电压开始恢复；随后交流故障切除，直流系统也逐渐恢复。

3）在故障2 s后还有一扰动，这是110 k V线路重合闸引起的，由于重合不成功故障线路切除，扰动时间较短，未再引起直流系统换相失败。由于交流电压降低期间，区域电网机组加速和切除了部分负荷，以及直流系统恢复过调，造成该区域电网频率暂时升高。

4）交流系统由于故障地点和时刻的不同，对换流站换相电压的影响也不同，造成换相失败发生时刻和程度也有所不同。所以，逆变侧交流系统发生故障，直流输电系统逆变器是否发生换相失败，主要与换流母线电压相位的变化有关。这不仅取决于故障点到换流站的电气距离，而且与逆变侧电网的强弱、运行方式，与故障地点、形式、短路阻抗和时刻有关。

5）为了找出精确的换相失败范围，可以建立特定电网全网详细的实时仿真模型，逐一对不同运行方式、不同故障形式进行试验，从而得出交流系统不同运行方式下，不同故障点对直流系统换相失败的影响程度。

4 结语

目前，采用晶闸管半控技术的逆变器，在各个直流系统中换相失败的事故时有发生，原因各不相同，逆变器换流阀短路、逆变器丢失触发脉冲、逆变侧交流系统故障是引起换相失败的常见原因。特别是在互联交流系统发生故障时，引起逆变器换相失败是难以避免的。问题是如何在大直流小系统的电网中，减少换相失败的概率和影响。

综合本次交流系统故障分析，交流系统发生单相接地短路，使换流站母线电压略有下降，引起直流电压下降、直流电流上升、换相角加大、换流器吸收无功功率增加，而使母线电压畸变或幅值减小，最终导致换相失败。直流降压运行有助于减少电网故障发生换相失败的概率。与直流全压运行比较，直流降压运行交流系统故障引起直流系统发生换相失败的范围有所缩小。

直流输电系统作为主网架的重要组成部分，在能源战略中发挥了重要而积极的作用，直流换流站的故障对系统的稳定运行造成影响，结合本次事故暴露的问题给出合理的建议，以提高跨区电网直流输电系统的安全稳定运行水平。

［1］ 赵畹君.高压直流输电工程技术［M］.北京：中国电力出版社，2004.