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摘要：在直流输电系统当中，换流器是最为重要的元件之一，其发生故障的形式和交流系统有较大的差别，其具有多样性以及时空离散性，故障特点会随着时间和位置的变化而发生改变。本文主要阐述直流输电系统换流器接地故障特点，同时提出了相应的保护改进措施，希望能够给相关人士一定的参考。
关键词：直流输电系统；换流器接地故障；故障特点；保护改进
0 引言
换流器属于直流输电系统当中最为重要的元件之一，相对于交流系统来说，其故障形式以及机理方面都有着非常大的差别，而不同故障形式和机理所带来的保护动作后果也有很大差别。换流器的接地故障在工程当中出现过多次，有关故障时间对于故障特点的影响和对故障保护方面的研究还不够健全。所以本文在接地故障机理分析的基础上分析出故障特点，同时采取相应保护改进措施对于提升直流输电系统的稳定性是非常有意义的。
1 换流器接地故障
目前高压直流输电（HVDC）大多使用的是12脉动的换流器，此种换流器接地故障主要包括几种类型，分别为：直流高压侧的接地故障（K4）、换流桥中点接地故障（K5）、直流低压侧的接地故障（K6）、换流变阀位置交流单相接地故障（K7），如图1所示。
2 故障的特点分析
（1）换流变阀侧交流单相接地短路
高压桥所发生的接地故障K7（2）就会造成直流电压的下降，而换流器中点不能形成相应的电压，造成高压桥共阴极阀以及低压桥阀都会由于断流而发生关断，进而造成直流线路对地放电。根据故障发生之后各阀的实际工况和相应的电气量特征，可将此故障分成不同的特征时段，
第一，特征时段I。此时段主要是发生在故障相共阳极阀V4导通的情况下，有关的电气量波形如图2所示。
在发生故障后，高压桥的共阳极会发生2次连续的换相失败，造成共阴极阀和低压桥阀关断，直流只是通过V4进行放电。特征时段I的故障特征为：Iac=0，持续时间t＜6.7m。
第二，特征时段II。此时段主要是发生在V6导通期间A相和C相自然换相点之前，有关的电气量波形如图3所示。
发生故障后共阳极会成功进行换相，而共阴极阀和低压桥阀都会关断。在V4触发导通之前，B相和C相的共阳极阀都是导通的状态，直流电流都会经过换流之后进行放电。特征时段II的故障特征为：Ia‘＜-Δ3，持续时间11.1ms＜t＜13.3ms。
第三，特征时段III。此时段主要是发生在V6导通期间A相和C相自然换相点之后，有关的电气量波形如图4所示。
在发生故障后，共阳极会发生2次连续的换相失败，造成共阴极阀和低压桥阀关断。特征时段III的故障特征为：Ia‘＜-Δ3，t＞13.3ms。
第四，特征时段IV。此时段主要是发生在V2导通期间，有关的电气量波形如图5所示。
发生故障后共阳极会成功进行换相，而共阴极阀和低压桥阀都会关断。特征时段IV的故障特征为：IacD＞1，t＜6.7ms。
（2）逆变器直流低压侧的接地故障
直流低压侧的接地故障（K6）相对来说比较特殊，有关的电气量波形如图6 所示。
在发生故障之后在直流中端会出现2个接地通路，其中一个是原有的接地极，而另一个属于故障接地线。此种类型的故障对于换流器相关阀电压不会有影响，可以保证逆变器进行正常工作。因为受到接地通路分流的影响，会使得直流中性线的电流降低，所以此种故障的特征为：Iac=Idh=1，t＞12ms。
（3）逆变器直流高压侧的接地故障
直流高压侧发生接地故障（K4）后，直流电压就会直接降低到0，发生故障后直流线路会通过接地点向大地进行放电，造成换流器相关阀很对的关断。有关的电气量波形如图7所示。在区别于K7（2）特征时段I相的基础上能够得到K4的故障特征为：Iac=0，t＞7ms。
（4）换流桥中点接地短路故障
在发生了直流桥中点接地短路故障（K5）后，会造成直流电压的下降，并且低压桥的相关阀会迅速的关断。有关的电气量波形如图8所示。
通过高压阀桥的作用，直流线路会通过故障接地点对地进行放电，造成其电流增加。在出现故障之后的首次换相会造成失败，再次换相时就会使得新导通的阀和首次失败没有关断的阀成为同一桥臂，从而造成D桥短路，直流线路就会通过短路桥臂向地放电。在区别于K7（4）特征时段I相的基础上能够得到K5的故障特征为：IacY=0，t＞7ms；IacD＞1，t＜6.7m。
3 换流器的保护研究
（1）保护配置
由于换流变阀端接地故障具有时空特性，这就造成了故障特征的复杂性以及多样性，从而造成了直流保护的不确定性。所以需要针对故障情况进行保护性能方面的校核。
从现阶段看直流采取的都是分区保护，而换流变阀端接地故障位于换流器保护区与换流变保护区的重合位置。按照前文所述，高压桥故障（K1、K2）以及低压桥故障（K3、K4）都可以归结为换流器区内接地故障，都可能造成直流差动保护。但由于K7（1）、K7（3）在换流变阀侧套管CT和换流变之间，在换流变压器区内故障保护范围内，会造成换流变阀端绕组差动保护动作。
换流站要按照故障的类型来选择采取哪种停运方式。在一般的阀故障中，如果是阀的短路故障，那么可以采用直接闭锁的方式进行停运，这样能够保证发生故障后系统能够可靠停运，从而对换流阀等设备进行保护。而其他更多的故障保护采用的都是投旁通对闭锁，从而能够更加迅速的降低系统的过电压。
本文主要采用的直流相关保护配置如表1所示。
（2）保护分析
第一，87DCM。在发生K1—K4的故障时会在直流高压母线以及低压母线之间增加直流电流对地分支，所以通过直流差动保护87DCM可以在发生故障后及时的对换流器区内接地故障进行体现，可以对阀侧接地故障进行保护。
①在高压桥故障时段I和IV中，在发生故障后就会发生1dh1的增加以及1dn1的下降，在延迟5ms之后就会动作；
②在高压桥故障II中，相应的87DCM最长动作时间为II段、III段以及固有延时的时间和，为15ms。同样，在III段中的87DCM最长动作时间为6.33ms。
第二，87SCY/87SCD。对于87SCY/87SCD来说，其动作方程为高压桥/低压桥交流相最大值和直流电流最小值之差，若是此差值为额定值的20倍时就会发生动作，那么就可以判断交流侧的最大电流相即为故障桥的故障相。这是因为在故障相共阳极阀开通时，直流电流就可以直接流入到大地，直流的阻抗比较小而电流最大，所以流经的故障相共阳极阀电流也最大。所以，在高压桥故障（K1）时，如果V4开通就符合87SCY的动作要求。故障时段III的动作时间比较短，87SCY就会先于87DCM进行动作。在低压桥故障（K3）时，因为有高压桥的影响，所以87SCD的动作时间会比87DCM的稍长。
第三，50/51C-4。此段的动作定值过高，对于换流变阀端接地故障不够灵敏，而其它段的延时过长不能起到有效的作用。
第四，87CG-2。此段是否发生动作主要决定于故障点和互感器的相对位置。如果故障出现在换流变交流侧和电流互感器之间就不会引发阀组差动保护响应；如果故障出现在换流变阀侧和电流互感器之间，那么故障相的互感器所得电流为换流变侧交流电流。
4 结束语
换流器对于直流输电系统具有非常重要的作用，所以在接地故障机理分析的基础上分析出故障特点，同时采取相应保护改进措施对于提升直流输电系统的稳定性是非常有意义的。
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论文作者:张延奇1,方堃2
论文发表刊物:《基层建设》2016年30期
论文发表时间:2017/2/22
标签：故障论文; 时段论文; 发生论文; 特征论文; 高压论文; 低压论文; 电流论文; 《基层建设》2016年30期论文;