直流输电典型换相失败案例分析

陈龙翔，王轶禹，葛 睿，庄 伟，冯长有，王 震

(国家电力调度控制中心，北京 100031)

直流输电典型换相失败案例分析

陈龙翔，王轶禹，葛 睿，庄 伟，冯长有，王 震

(国家电力调度控制中心，北京 100031)

我国直流输电快速发展，换相失败是直流输电最常见的故障。结合实际工程几起换相失败案例，从直流输电最基本的换相过程描述交流系统扰动、误触发、丢脉冲等原因引起的换相失败，分析了几种典型原因引起的换相失败的波形差异，阐述了直流输电换相失败的一般性原理，即某种原因导致的阀的无序导通可能引发换相失败，最后从电网规划、控制保护系统优化等方面提出了建议以提高直流输电运行可靠性。

直流输电；换相失败；交流系统扰动；误触发；丢脉冲

我国电网已实现大规模互联，大区电网间多通过直流联网，形成了大规模的交直流混联电网[1-2]。交直流特性耦合在一起，交直流系统的故障、扰动交互影响。其中，换相失败是直流输电常见的故障，对其进行研究是十分必要和有意义的。文献[3]研究了交流电压、直流电流、换相电抗等对换相失败的影响；文献[4]至[8]从理论分析和仿真等角度研究了直流输电换相失败问题；文献[9]至[12]研究了交流电网扰动对换相失败的影响；文献[13]至[15]研究了抑制换相失败的预防控制措施。这些研究对换相失败的机理、仿真分析以及交直流系统的相互影响等做了大量分析研究，为理解换相失败原理及更深入的研究换相失败提供了有力的基础。

本文结合几起工程中发生的典型换相失败案例，详细研究交流系统故障、触发脉冲异常等情况下直流换相失败的具体发生过程，揭示不同类型换相失败的故障形态，并从电网规划、控保系统优化等方面提出相关建议。

1 换相失败基本原理

整流器阀在关断后的较长时间内处于反向电压下，因此整流器发生换相失败的可能性极低，直流输电系统中大部分换相失败都发生在逆变器，换相失败是逆变器常见的故障。

逆变器换流阀接线方式见图1。图1为6脉动桥，六个阀臂分别为V1～V6。常规直流一极由两个6脉动桥串联组成一个12脉动桥，特高压直流由2个12脉动桥串联构成。

图2中第一副为交流电压、第二副为换流变阀侧电流(对应相应导通的阀臂电流)、第三副表示预先设定的阀臂导通顺序(记开通的阀为1、关断的为0，用6位2进制表示V6V5V4V3V2V1，如果阀V5、V6开通，则为110000，对应48)。记从左到右的7条竖线标记的时刻分别t0，t1，t2，t3，t4，图2为 HVDC正常换相过程。

图1 逆变器换流阀接线方式

图2 HVDC正常换相过程

t5，t6，正常情况下的换相过程具体分析如下。

(1)t0时刻：V1和V6导通；

(2)t1时刻：V6向V2换相成功，之后V1和V2导通；

(3)t2时刻：V1向V3换相成功，之后V2和V3导通；

(4)t3时刻：V2向V4换相成功，之后V3和V4导通；

(5)t4时刻：V3向V5换相成功，之后V4和V5导通；

(6)t5时刻：V4向V6换相成功，之后V5和V6导通；

(7)t6时刻：V5向V1换相成功，之后V1和V6导通，回到初始态，后续重复上述过程，直流系统稳定运行。

通过分析直流输电正常的换相过程可以总结出如下几个特点：不考虑换相过程的话，同一时刻仅有两个阀臂处于导通状态，该两阀臂编号连续且不在同一桥臂上；阀臂按照预先设置的顺序导通，严格遵守预定的导通顺序；当某种原因打乱了阀臂预定的导通顺序，后续可能引起同一桥臂上的两个阀臂同时导通，形成旁通对(直流侧短路)，从而发生换相失败。

交流系统故障、逆变器触发脉冲丢失、误触发等均可能引发阀臂应有的导通顺序混乱从而引起换相失败。

1.1 交流系统扰动导致的换相失败

晶闸管转入断态的过程为：电流减小到零，两侧电压保持一段时间等于零或为负，使得阀元件内的多余载流子消失。逆变器两个阀臂进行换相时，因换相过程未能进行完毕，或者应关断的阀关断后，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，则发生倒换相，使预计开通的阀重新关断，打乱了预先设置的导通顺序，从而发生换相失败。

阀关断角用以表征阀电流减小到零后其两端维持反向电压的时间，其物理意义是预定关断阀的电流降为0后，该阀承受反向电压的电角度，在此期间预定关断阀应恢复阻断能力，否则会发生换相失败。

阀关断角的公式为

γ=β-μ=arccos(2KIdXC/U+cosβ)-φ

(1)

式中γ——阀关断角；β——越前触发角；μ——换相角；Id——直流电流；K——换流变压器的变比；U——换流母线线电压有效值；XC——换相电抗；φ——逆变侧交流系统发生不对称故障时，交流线电压的过零点将会移动，过零点的相位移为φ；arccos(2KIdXC/U+cosβ)——交流系统对称时，逆变器的阀关断角；arccos(2KIdXC/U+cosβ)-φ——交流系统故障引起过零点偏移时，逆变器的阀关断角。

针对具体直流工程，换相电抗主要取决于换流变阻抗，变化不大，实际关断角主要取决于交流电压、直流电流的变化及波形畸变引起的过零点偏移情况，交流电压畸变引起过零点提前会减小关断角，可能引发换相失败。

有研究认为，当γ小于一定角度γmin时就可能发生换相失败，一般γmin取10°[2]。

1.2 触发脉冲异常导致的换相失败

(1)误触发：在某一时刻多发一个触发脉冲，不应导通的阀出现导通，打乱了预先设置的导通顺序，从而引发换相失败。

(2)丢脉冲：丢失触发脉冲，导致应该导通的阀未导通，打乱了预先设置的导通顺序，从而引发换相失败。

1.3 换相失败保护

换相失败相当于直流短路，其电流量的特征是交流电流明显降低、直流电流明显升高。

换相失败保护测量换流变阀侧电流IacD(Y/Y接线换流变)、IdP(Y/D接线换流变)，直流极母线电流IdP、中性母线电流IdNC，如图1所示。

记Id=MAX[IdP，IdNC]，换相失败保护判据如下：

Id-IacY>0.133p.u.+0.1*Id且

IacY<0.65*Id(Y桥)

或者

Id-IacD>0.133p.u.+0.1*Id且

IacD<0.65*Id(D桥)。

即判定直流侧电流与交流侧电流的差值，当满足定值时，判定直流输电系统发生换相失败。

换相失败保护动作顺序为：换相失败告警；增大熄弧角命令；起动极控系统切换命令；移相闭锁；跳两侧交流断路器。

2 交流系统扰动导致换相失败案例分析

2014年8月30日，华东电网上海地区500 kV某换流站近区一条220 kV线路故障跳闸，重合不成功，导致某直流双极均发生2次换相失败，即故障时刻发生1次换相失败，重合于故障时刻发生1次换相失败。两次换相失败间隔时间0.17 s左右，考虑0.12 s的重合闸延时以及0.02 s的保护判断、开关出口时间。

该案例是一起典型的由于交流系统扰动引起的换相失败，在调度运行中非常常见，下面将对该典型性的故障形态进行详细的分析。

图3、图4所示分别为某直流2次换相失败故障录波图(选取极I Y/Y桥)，由于两次换相失败波形过程基本相同，以图3为例进行分析。

图3 第一次换相失败录波图

图4 第二次换相失败录波图

记从左到右的5条竖线标记的时刻分别t0，t1，t2，t3，t4，具体分析如下。

(1)t0时刻：正常运行状态，V1、V2处于导通状态。

(2)t1时刻：V1向V3换相，此时UB>UA，V1电流逐渐减小，V3电流逐渐增大。

(3)t2时刻：可以明显看到交流系统的电压畸变，由于电压畸变，UA提前大于UB，V1关断后尚未恢复阻断能力(现场实测V1关断角为9°)，此后发生倒换相，V1电流逐渐增大，V3电流逐渐减小。

(4)t3时刻：V2向V4换相，UA

(5)t4时刻：后续换相失败逐渐恢复。

本次换相失败是一起典型的由于交流电压畸变、线电压过零点提前导致阀臂反向电压阻断时间较短而引发的换相失败。在实际调度运行中，逆变站近区线路故障有较大可能引发直流换相失败，但换相失败可以较快恢复。一般情况下，重合成功的线路故障，由于仅对系统造成1次冲击，因此仅发生1次换相失败；重合失败的线路故障，由于对系统造成2次冲击，因此发生2次换相失败。

3 丢脉冲、误触发导致换相失败案例分析

本节分析触发脉冲异常引起的换相失败案例，具体研究了某直流因单脉冲误触发、连续误触发以及丢脉冲等引起的换相失败案例。

3.1 单脉冲误触发引起的换相失败

图5为2012年12月9日某直流逆变站极II低端换流器Y桥V5误触发而引起的换相失败录波图。

图5 单脉冲误触发引起的换相失败录波图

记从左到右的5条竖线标记的时刻分别t0，t1，t2，t3，t4，具体分析如下。

(1)t0时刻：换相失败前V1、V6处于导通状态。

(2)t1时刻：V2脉冲到来，V6向V2成功换相，但此时V5出现了误触发，由于UC>UA，满足导通条件，所以V5开通，V5开通后V2、V5形成旁通对。

(3)t2时刻：V3脉冲到来，但由于UB

(4)t3时刻：V4脉冲到来，由于UC>UA，V4满足导通条件，V4开通，此时导通的阀变为V4和V5。

(5)t4时刻：V5脉冲到来，V4和V5继续导通，之后换相失败逐渐恢复。

由此可见，V5发生了误触发。

3.2 连续误触发引起的换相失败

图6为2013年3月27日某直流逆变站极II低端换流器Y桥V6和V3连续误触发，具体过程分析如下。

图6 连续误触发引起的换相失败录波图

(1)t0时刻：换相失败前V3、V4处于导通状态。

(2)t1时刻：V5的脉冲到来，V3向V5成功换相。

(3)t2时刻：V6出现了误触发，由于此时UA>UB，V6承受正向偏置电压，V4向V6换相，此时导通的阀为V5和V6。

(4)t3时刻：V6的脉冲到来，但此时阀侧电流变为0，说明此时出现了旁通对，要么是V2的误触发，要么是V3的误触发，根据换相失败的恢复过程进行反推(即将后续的恢复过程反推)可知此时是V3出现了误触发，而此时电压UB>UC，V3满足导通条件，所以T3时刻，V3出现了误触发从而使V3和V6形成旁通对。

(5)t4时刻：V1的脉冲到来，而此时UA

(6)t5时刻：V2的脉冲到来，此时UB>UC，V2两端电压正向偏置，满足导通条件，旁通对解除，此后是V2和V3导通，之后换相失败逐渐恢复。

(7)由此可见，本次换相失败是由于V6在V5触发时刻出现误导通，随后V3在V6触发时刻误触发而引起。

3.3 丢脉冲引起的换相失败

图7为2013年7月23日某直流逆变站极II低端换流器Y桥V3丢脉冲引起的换相失败录波图，具体过程分析如下。

图7 丢失触发引起的换相失败录波图

(1)t0时刻：换相失败前V1、V2处于导通状态。

(2)t1时刻：V3的脉冲到来，此时UB>UA，但V1、V3并未发生换相过程，V3并未导通，仍然是V1在导通，说明此时V3的脉冲并未发送至TCE(图上的CPRY为CCP至VCE的CP脉冲，而不是VCE至TCE的FP脉冲)，即V3出现了丢脉冲现象。

(3)t2时刻：V4的脉冲到来，V2向V4换相成功，由于之前导通的阀是V1和V2，所以V4导通后与V1形成旁通对，电流变为0。

(4)t3时刻：V5的脉冲到来，但由于UC

(5)t4时刻：V6的脉冲到来，此时UA>UB，V6承受正向电压，满足导通条件，旁通对解除，此时导通的阀是V1和V6，之后换相失败逐渐恢复。

由此可见，V3发生了丢脉冲。

3.4 后续处理措施

在2014年04月停电检修期间，某直流逆变站更换了阀控系统的相应板卡，并对触发信号增加抗干扰逻辑。检修消缺后某直流逆变站运行情况良好。

4 结语与建议

4.1 结语

(1)阀按照预定的顺序导通是保证其正常运行的基本条件，因交流系统扰动、触发脉冲异常等原因导致阀臂预定的导通顺序被打乱后，直流输电系统后续可能发生换相失败。

(2)一般情况下，误触发及触发脉冲丢失仅会导致相关六脉动桥阀组的换相失败，不会影响其余六脉动桥的正常换相；交流系统扰动则会导致逆变器所有的阀组发生换相失败。

(3)交流系统扰动引起的换相失败同误触发、触发脉冲丢失引起的换相失败故障形态有显著差别。交流系统扰动引起的换相失败在换相期间会有明显的倒换相过程，即预定关断的阀在电流降低后又明显回升；误触发、触发脉冲丢失引起的换相失败过程中无倒换相过程，而是某些阀提早导通或延迟关断，打乱预定导通顺序，后续导致直流侧短路，发生换相失败。

4.2 建议

(1)合理规划交直流互联大电网。交直流互联电网运行交互影响、相互耦合。例如：逆变站近区交流系统故障可能引发直流系统换相失败，直流系统的闭锁故障会引发交流系统潮流大幅变化等。电网规划阶段，应合理配置交直流系统，一方面应构建坚强交流电网，为直流平稳运行提供支撑，并承载直流系统故障冲击；另一方面，直流工程应合理布局落点，避免多馈入直流同时故障，对电网造成过大冲击。

(2)优化直流控制保护系统。直流工程采用电力电子器件，元器件多、辅助设备多、运行方式灵活多变、系统高度可控，因此，直流输电的控制保护远比交流输电二次复杂，其稳定运行高度依赖控制保护系统。同时，直流输电运行经验较交流输电少很多，其控制保护系统随着运行数据的不断积累仍有改进空间。实际运行会暴漏出设计仿真等阶段遗漏的一些死角问题，建立闭环机制，根据实际运行经验，滚动动态的优化直流控制保护系统的逻辑、参数，持续的改善其性能，提高直流系统运行的可靠性、稳定性。

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TypicalCaseAnalysisofCommutationFailureinHVDCSystem

CHEN Longxiang, WANG Yiyu, GE Rui, ZHUANG Wei, FENG Changyou, WANG Zhen

(National Electric Power Dispatching and Control Center of China, Beijing 100031, China)

HVDC is developing rapidly in China, and commutation failure is the most common fault in HVDC system. By introducing several cases of commutation failure, this paper studies the commutation failures caused by AC system disturbance, false triggering, and missing pulse. Then it analyzes the waveform differences of commutation failures caused by several typical reasons, and expounds the general principle of HVDC commutation failure: a commutation failure may be triggered by the disorder of valve conduction due to some reasons. Finally it suggests improving the reliability of HVDC system by means of grid planning, control and protection system optimization, etc.

HVDC; commutation failure; AC system disturbance; false triggering; missing pulse

10.11973/dlyny201705006

陈龙翔(1988—)，男，硕士，工程师，从事电网调度运行工作。

TM732

A

2095-1256(2017)05-0513-06

2017-05-23

(本文编辑：赵艳粉)