于洋　杨勇　程宁　李浩

摘 要：高压直流输电常见故障之一是换相失败故障。它将导致使直流电压为零、逆变器直流侧短路，直流电流增大、直流系统输送功率减少，宁东-山东±660kV直流输电工程是国家跨区域电网建设工程，额定输送功率4000MW，约占山东电网有功负荷的1/12，如果发生换相失败，进而引发直流闭锁，将对山东电网安全稳定带来重大影响。若换相失败后控制不当，还会引发后继的换相失败，最终导致换流阀寿命缩短、换流变压器直流偏磁及逆变侧弱交流系统过电压等不良后果。通过对换相失败动作原因分析，提高了系统的稳定性的同时，对换相失败逻辑进行优化。

关键词：直流输电系统；换相失败；措施

引言

高压直流（HVDC）输电系统最常见的故障之一是换相失败，它是由逆变器多种故障所引起的，如丢失触发脉冲、逆变器换流阀短路、交流系统逆变侧故障等。通过对换相失败保护动作的分析研究，提出了相应改进措施，对胶东换流站安全稳定运行具有重要意义。

1 换相失败基本原理

1.1 换相失败概念

在换流器中，在反向电压期间换相过程未进行完毕，则在阀电压变成正向时，被换相的阀都将向原来预定退出导通的阀倒换相，或者退出导通的阀在反向电压作用的一段时间内未能恢复阻断能力，这种情况称为换相失败。

1.2 换相失败机理分析

1.2.1 阀的特性

HVDC系统中的阀是一种可控电子开关，阀从关断转入导通必须同时具备两个条件：（1）承受正向电压（换流阀阳极电压高于阴极电压）；（2）控制极对阴极加能量足够的正向触发脉冲，两个条件必须同时具备，缺一不可。换流阀一旦导通，它只有当流经换流阀的电流为零时，它才能关断（唯一的关断条件），是靠外回路的能力来进行关断的。

1.2.2 换相过程

即阀5、6导通过渡为阀5、6、1导通，进而过渡到6、1导通的过程。以阀5向阀1换相为例说明换相的过程，在整流器中，用α表示在阀1控制极上加触发脉冲的时刻滞后的相位角称为触发延迟角/触发角。对于逆变器，α>90度。换相过程所持续的时间，即导通阀开始导通的时刻，用μ表示如T1到被换向阀截止的这段时间所对应的电角度称为换相角；用γ表示被换相阀截止时刻到其正向电压由负变正的过零点之间的电角度称为关断角，或熄弧角。图1中，T1表示导通阀1开始时刻，D5表示关断阀5时刻。

用C1～C6表示自然换相点为换流器交流侧相电压的交点，对应桥臂的编号相同下标1～6。在一个工频周期中持续导通120°+μ电角度的时间每个桥臂，继而关断240°-μ电角度的时间。相当于六个可控的电子开关换流器实质，按照一定的次序轮流的接到将它的直流侧三相交流电源中的某两项，从而相互变换完成交流电和直流电之间。

1.3 换相失败保护判据

极保护测量换流器高压侧直流电流IDP，换流器中性线侧直流电流IDNC，以及换流变阀侧电流IacY、IacD。

保护判据为：

Y桥：Id-IacY>0.133pu+0.1*Id且IacY<0.65*Id（Y桥）；

D桥：Id-IacD>0.133pu+0.1*Id且IacD<0.65*Id（D桥）。

2 极Ⅰ换相失败故障分析

某时刻，山东电网220kV琅庄II线路发生故障跳闸，重合不成功，引起交流侧电压明显波动，导致胶东站双极发生换相失败告警，告警62ms左右复归，未引起极控系统切换等严重后果。以极Ⅰ为例，进行换相失败告警分析。从波形上可以看出，由于交流侧发生故障导致阀2应关断时却未完全关断，换流阀3-4向4-5换相时，通过阀2和阀5形成直流侧短路，直到阀5换相至阀1后，直流短路消失，逐渐自行恢复正常。由于交流侧电压扰动，最先引起C相电压跌落，相电压由正常303kV跌至243kV，导致双桥换相时失败。告警时刻，换流变Y/D阀侧交流相电流，Ia约为1927A，Ib约为1901A， Ic约为1171A而直流侧Id，约为4600A，根据保护判据公式，计算IacD为559.44A，I1=Id-IacD=4600-559.44=4040.56A；I2=0.133pu+0.1*Id=0.133×3030+0.1×4600=862.99A；I1大于I2。

由此，保护判据满足，延时3ms，极Ⅰ极控A、B系统延时3ms发出换相失败告警正确。根据故障录波，告警经过62ms复归。

3 改进措施

通过对根据胶东换流站投运以来双极换相失败统计分析，发现双极发生换相失败的原因为：交流侧系统故障，造成交流电压波形畸变，交流线电压过零点提前，因此针对上述情况，为防止连续换相失败的发生，具体措施如下：

（1）优化控制系统换向失败预测功能，降低交流电压变化和零序电压变化定值，使得控制系统能够提前精确检测到交流电压故障，启动增加熄弧角功能，防止受电压波形畸变影响，线电压过零点提前，造成换向失败。

（2）取消换向失败后直流电压参考值瞬时值增加功能，防止换向失败后发生连续换向失败隐患。将上述经过改进前后控制功能进行实验室仿真对比验证。经过上述程序优化后，按照现场试验工况，在同样交流系统的干扰下，上述改进措施能够有效抑制换流器换向失败的产生。

4 结束语

不容忽视直流输电系统逆变侧发生换相失败对电网的影响，换相失败期间，正负半周很不对称逆变器交流侧线电流，即存在直流分量于交流电流中，这将引起变压器空载损耗增加，造成换流变压器的直流偏磁，甚至引起零序谐波，严重时使滤波器跳闸；甚至会造成直流闭锁，且发生连续换相失败，则因此在对换相失败相关逻辑程序优化的同时，也可增加静止无功发生器STATCOM对直流系统进行无功补偿，当发生交流系统故障时，维持电压的稳定，可以降低直流系统从静止无功发生器STATCOM对暂态反应的灵敏度，而避免换相失败的发生。

参考文献

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[4]任震，欧开健，荆勇，等.基于PCSAD/EMTDC软件的直流输电系统数字仿真[J].电力自动化设备，2002.

作者简介：于洋（1986-），男，汉族，山东烟台人，国网山东省电力公司检修公司助理工程师，主要从事高压直流系统运行、维护等工作。