直流輸電典型換相失敗案例分析

陳龍翔，王軼禹，葛 睿，莊 偉，馮長有，王 震

(國家電力調度控制中心，北京 100031)

直流輸電典型換相失敗案例分析

陳龍翔，王軼禹，葛 睿，莊 偉，馮長有，王 震

(國家電力調度控制中心，北京 100031)

我國直流輸電快速發展，換相失敗是直流輸電最常見的故障。結合實際工程幾起換相失敗案例，從直流輸電最基本的換相過程描述交流系統擾動、誤觸發、丟脈沖等原因引起的換相失敗，分析了幾種典型原因引起的換相失敗的波形差異，闡述了直流輸電換相失敗的一般性原理，即某種原因導致的閥的無序導通可能引發換相失敗，最后從電網規劃、控制保護系統優化等方面提出了建議以提高直流輸電運行可靠性。

直流輸電；換相失敗；交流系統擾動；誤觸發；丟脈沖

我國電網已實現大規模互聯，大區電網間多通過直流聯網，形成了大規模的交直流混聯電網[1-2]。交直流特性耦合在一起，交直流系統的故障、擾動交互影響。其中，換相失敗是直流輸電常見的故障，對其進行研究是十分必要和有意義的。文獻[3]研究了交流電壓、直流電流、換相電抗等對換相失敗的影響；文獻[4]至[8]從理論分析和仿真等角度研究了直流輸電換相失敗問題；文獻[9]至[12]研究了交流電網擾動對換相失敗的影響；文獻[13]至[15]研究了抑制換相失敗的預防控制措施。這些研究對換相失敗的機理、仿真分析以及交直流系統的相互影響等做了大量分析研究，為理解換相失敗原理及更深入的研究換相失敗提供了有力的基礎。

本文結合幾起工程中發生的典型換相失敗案例，詳細研究交流系統故障、觸發脈沖異常等情況下直流換相失敗的具體發生過程，揭示不同類型換相失敗的故障形態，并從電網規劃、控保系統優化等方面提出相關建議。

1 換相失敗基本原理

整流器閥在關斷后的較長時間內處于反向電壓下，因此整流器發生換相失敗的可能性極低，直流輸電系統中大部分換相失敗都發生在逆變器，換相失敗是逆變器常見的故障。

逆變器換流閥接線方式見圖1。圖1為6脈動橋，六個閥臂分別為V1～V6。常規直流一極由兩個6脈動橋串聯組成一個12脈動橋，特高壓直流由2個12脈動橋串聯構成。

圖2中第一副為交流電壓、第二副為換流變閥側電流(對應相應導通的閥臂電流)、第三副表示預先設定的閥臂導通順序(記開通的閥為1、關斷的為0，用6位2進制表示V6V5V4V3V2V1，如果閥V5、V6開通，則為110000，對應48)。記從左到右的7條豎線標記的時刻分別t0，t1，t2，t3，t4，圖2為 HVDC正常換相過程。

圖1 逆變器換流閥接線方式

圖2 HVDC正常換相過程

t5，t6，正常情況下的換相過程具體分析如下。

(1)t0時刻：V1和V6導通；

(2)t1時刻：V6向V2換相成功，之后V1和V2導通；

(3)t2時刻：V1向V3換相成功，之后V2和V3導通；

(4)t3時刻：V2向V4換相成功，之后V3和V4導通；

(5)t4時刻：V3向V5換相成功，之后V4和V5導通；

(6)t5時刻：V4向V6換相成功，之后V5和V6導通；

(7)t6時刻：V5向V1換相成功，之后V1和V6導通，回到初始態，后續重復上述過程，直流系統穩定運行。

通過分析直流輸電正常的換相過程可以總結出如下幾個特點：不考慮換相過程的話，同一時刻僅有兩個閥臂處于導通狀態，該兩閥臂編號連續且不在同一橋臂上；閥臂按照預先設置的順序導通，嚴格遵守預定的導通順序；當某種原因打亂了閥臂預定的導通順序，后續可能引起同一橋臂上的兩個閥臂同時導通，形成旁通對(直流側短路)，從而發生換相失敗。

交流系統故障、逆變器觸發脈沖丟失、誤觸發等均可能引發閥臂應有的導通順序混亂從而引起換相失敗。

1.1 交流系統擾動導致的換相失敗

晶閘管轉入斷態的過程為：電流減小到零，兩側電壓保持一段時間等于零或為負，使得閥元件內的多余載流子消失。逆變器兩個閥臂進行換相時，因換相過程未能進行完畢，或者應關斷的閥關斷后，在反向電壓期間未能恢復阻斷能力，當加在該閥上的電壓為正時，立即重新導通，則發生倒換相，使預計開通的閥重新關斷，打亂了預先設置的導通順序，從而發生換相失敗。

閥關斷角用以表征閥電流減小到零后其兩端維持反向電壓的時間，其物理意義是預定關斷閥的電流降為0后，該閥承受反向電壓的電角度，在此期間預定關斷閥應恢復阻斷能力，否則會發生換相失敗。

閥關斷角的公式為

γ=β-μ=arccos(2KIdXC/U+cosβ)-φ

(1)

式中γ——閥關斷角；β——越前觸發角；μ——換相角；Id——直流電流；K——換流變壓器的變比；U——換流母線線電壓有效值；XC——換相電抗；φ——逆變側交流系統發生不對稱故障時，交流線電壓的過零點將會移動，過零點的相位移為φ；arccos(2KIdXC/U+cosβ)——交流系統對稱時，逆變器的閥關斷角；arccos(2KIdXC/U+cosβ)-φ——交流系統故障引起過零點偏移時，逆變器的閥關斷角。

針對具體直流工程，換相電抗主要取決于換流變阻抗，變化不大，實際關斷角主要取決于交流電壓、直流電流的變化及波形畸變引起的過零點偏移情況，交流電壓畸變引起過零點提前會減小關斷角，可能引發換相失敗。

有研究認為，當γ小于一定角度γmin時就可能發生換相失敗，一般γmin取10°[2]。

1.2 觸發脈沖異常導致的換相失敗

(1)誤觸發：在某一時刻多發一個觸發脈沖，不應導通的閥出現導通，打亂了預先設置的導通順序，從而引發換相失敗。

(2)丟脈沖：丟失觸發脈沖，導致應該導通的閥未導通，打亂了預先設置的導通順序，從而引發換相失敗。

1.3 換相失敗保護

換相失敗相當于直流短路，其電流量的特征是交流電流明顯降低、直流電流明顯升高。

換相失敗保護測量換流變閥側電流IacD(Y/Y接線換流變)、IdP(Y/D接線換流變)，直流極母線電流IdP、中性母線電流IdNC，如圖1所示。

記Id=MAX[IdP，IdNC]，換相失敗保護判據如下：

Id-IacY>0.133p.u.+0.1*Id且

IacY<0.65*Id(Y橋)

或者

Id-IacD>0.133p.u.+0.1*Id且

IacD<0.65*Id(D橋)。

即判定直流側電流與交流側電流的差值，當滿足定值時，判定直流輸電系統發生換相失敗。

換相失敗保護動作順序為：換相失敗告警；增大熄弧角命令；起動極控系統切換命令；移相閉鎖；跳兩側交流斷路器。

2 交流系統擾動導致換相失敗案例分析

2014年8月30日，華東電網上海地區500 kV某換流站近區一條220 kV線路故障跳閘，重合不成功，導致某直流雙極均發生2次換相失敗，即故障時刻發生1次換相失敗，重合于故障時刻發生1次換相失敗。兩次換相失敗間隔時間0.17 s左右，考慮0.12 s的重合閘延時以及0.02 s的保護判斷、開關出口時間。

該案例是一起典型的由于交流系統擾動引起的換相失敗，在調度運行中非常常見，下面將對該典型性的故障形態進行詳細的分析。

圖3、圖4所示分別為某直流2次換相失敗故障錄波圖(選取極I Y/Y橋)，由于兩次換相失敗波形過程基本相同，以圖3為例進行分析。

圖3 第一次換相失敗錄波圖

圖4 第二次換相失敗錄波圖

記從左到右的5條豎線標記的時刻分別t0，t1，t2，t3，t4，具體分析如下。

(1)t0時刻：正常運行狀態，V1、V2處于導通狀態。

(2)t1時刻：V1向V3換相，此時UB>UA，V1電流逐漸減小，V3電流逐漸增大。

(3)t2時刻：可以明顯看到交流系統的電壓畸變，由于電壓畸變，UA提前大于UB，V1關斷后尚未恢復阻斷能力(現場實測V1關斷角為9°)，此后發生倒換相，V1電流逐漸增大，V3電流逐漸減小。

(4)t3時刻：V2向V4換相，UA

(5)t4時刻：后續換相失敗逐漸恢復。

本次換相失敗是一起典型的由于交流電壓畸變、線電壓過零點提前導致閥臂反向電壓阻斷時間較短而引發的換相失敗。在實際調度運行中，逆變站近區線路故障有較大可能引發直流換相失敗，但換相失敗可以較快恢復。一般情況下，重合成功的線路故障，由于僅對系統造成1次沖擊，因此僅發生1次換相失敗；重合失敗的線路故障，由于對系統造成2次沖擊，因此發生2次換相失敗。

3 丟脈沖、誤觸發導致換相失敗案例分析

本節分析觸發脈沖異常引起的換相失敗案例，具體研究了某直流因單脈沖誤觸發、連續誤觸發以及丟脈沖等引起的換相失敗案例。

3.1 單脈沖誤觸發引起的換相失敗

圖5為2012年12月9日某直流逆變站極II低端換流器Y橋V5誤觸發而引起的換相失敗錄波圖。

圖5 單脈沖誤觸發引起的換相失敗錄波圖

記從左到右的5條豎線標記的時刻分別t0，t1，t2，t3，t4，具體分析如下。

(1)t0時刻：換相失敗前V1、V6處于導通狀態。

(2)t1時刻：V2脈沖到來，V6向V2成功換相，但此時V5出現了誤觸發，由于UC>UA，滿足導通條件，所以V5開通，V5開通后V2、V5形成旁通對。

(3)t2時刻：V3脈沖到來，但由于UB

(4)t3時刻：V4脈沖到來，由于UC>UA，V4滿足導通條件，V4開通，此時導通的閥變為V4和V5。

(5)t4時刻：V5脈沖到來，V4和V5繼續導通，之后換相失敗逐漸恢復。

由此可見，V5發生了誤觸發。

3.2 連續誤觸發引起的換相失敗

圖6為2013年3月27日某直流逆變站極II低端換流器Y橋V6和V3連續誤觸發，具體過程分析如下。

圖6 連續誤觸發引起的換相失敗錄波圖

(1)t0時刻：換相失敗前V3、V4處于導通狀態。

(2)t1時刻：V5的脈沖到來，V3向V5成功換相。

(3)t2時刻：V6出現了誤觸發，由于此時UA>UB，V6承受正向偏置電壓，V4向V6換相，此時導通的閥為V5和V6。

(4)t3時刻：V6的脈沖到來，但此時閥側電流變為0，說明此時出現了旁通對，要么是V2的誤觸發，要么是V3的誤觸發，根據換相失敗的恢復過程進行反推(即將后續的恢復過程反推)可知此時是V3出現了誤觸發，而此時電壓UB>UC，V3滿足導通條件，所以T3時刻，V3出現了誤觸發從而使V3和V6形成旁通對。

(5)t4時刻：V1的脈沖到來，而此時UA

(6)t5時刻：V2的脈沖到來，此時UB>UC，V2兩端電壓正向偏置，滿足導通條件，旁通對解除，此后是V2和V3導通，之后換相失敗逐漸恢復。

(7)由此可見，本次換相失敗是由于V6在V5觸發時刻出現誤導通，隨后V3在V6觸發時刻誤觸發而引起。

3.3 丟脈沖引起的換相失敗

圖7為2013年7月23日某直流逆變站極II低端換流器Y橋V3丟脈沖引起的換相失敗錄波圖，具體過程分析如下。

圖7 丟失觸發引起的換相失敗錄波圖

(1)t0時刻：換相失敗前V1、V2處于導通狀態。

(2)t1時刻：V3的脈沖到來，此時UB>UA，但V1、V3并未發生換相過程，V3并未導通，仍然是V1在導通，說明此時V3的脈沖并未發送至TCE(圖上的CPRY為CCP至VCE的CP脈沖，而不是VCE至TCE的FP脈沖)，即V3出現了丟脈沖現象。

(3)t2時刻：V4的脈沖到來，V2向V4換相成功，由于之前導通的閥是V1和V2，所以V4導通后與V1形成旁通對，電流變為0。

(4)t3時刻：V5的脈沖到來，但由于UC

(5)t4時刻：V6的脈沖到來，此時UA>UB，V6承受正向電壓，滿足導通條件，旁通對解除，此時導通的閥是V1和V6，之后換相失敗逐漸恢復。

由此可見，V3發生了丟脈沖。

3.4 后續處理措施

在2014年04月停電檢修期間，某直流逆變站更換了閥控系統的相應板卡，并對觸發信號增加抗干擾邏輯。檢修消缺后某直流逆變站運行情況良好。

4 結語與建議

4.1 結語

(1)閥按照預定的順序導通是保證其正常運行的基本條件，因交流系統擾動、觸發脈沖異常等原因導致閥臂預定的導通順序被打亂后，直流輸電系統后續可能發生換相失敗。

(2)一般情況下，誤觸發及觸發脈沖丟失僅會導致相關六脈動橋閥組的換相失敗，不會影響其余六脈動橋的正常換相；交流系統擾動則會導致逆變器所有的閥組發生換相失敗。

(3)交流系統擾動引起的換相失敗同誤觸發、觸發脈沖丟失引起的換相失敗故障形態有顯著差別。交流系統擾動引起的換相失敗在換相期間會有明顯的倒換相過程，即預定關斷的閥在電流降低后又明顯回升；誤觸發、觸發脈沖丟失引起的換相失敗過程中無倒換相過程，而是某些閥提早導通或延遲關斷，打亂預定導通順序，后續導致直流側短路，發生換相失敗。

4.2 建議

(1)合理規劃交直流互聯大電網。交直流互聯電網運行交互影響、相互耦合。例如：逆變站近區交流系統故障可能引發直流系統換相失敗，直流系統的閉鎖故障會引發交流系統潮流大幅變化等。電網規劃階段，應合理配置交直流系統，一方面應構建堅強交流電網，為直流平穩運行提供支撐，并承載直流系統故障沖擊；另一方面，直流工程應合理布局落點，避免多饋入直流同時故障，對電網造成過大沖擊。

(2)優化直流控制保護系統。直流工程采用電力電子器件，元器件多、輔助設備多、運行方式靈活多變、系統高度可控，因此，直流輸電的控制保護遠比交流輸電二次復雜，其穩定運行高度依賴控制保護系統。同時，直流輸電運行經驗較交流輸電少很多，其控制保護系統隨著運行數據的不斷積累仍有改進空間。實際運行會暴漏出設計仿真等階段遺漏的一些死角問題，建立閉環機制，根據實際運行經驗，滾動動態的優化直流控制保護系統的邏輯、參數，持續的改善其性能，提高直流系統運行的可靠性、穩定性。

[1] 趙畹君．高壓直流輸電工程技術[M]．北京：中國電力出版社，2004.

[2]劉振亞，舒印彪，張文亮，等．直流輸電系統電壓等級序列研究[J]．中國電機工程學報，2008，28 (10)：128.

LIU Zhenya，SHU Yinbiao，ZHANG Wenliang，et al．Study onvoltage class series for HVDC transmission system[J]．Proceedingsof t he CSEE，2008，28(10)：128.

[3]歐開健，任震，荊勇．直流輸電系統換相失敗的研究(一)：換相失敗的影響因素分析[J]．電力自動化設備，2003，23(5)：5-8.

OU Kaijian，REN Zhen，JING Yong．Research on commutation failure in HVDC transmission system Part I：commutation failure factors analysis[J]．Electric Power Automation Equipment，2003，23(5)：5-8.

[4]李思思，白仕雄，丁志林，等．基于換相電流時間面積的換相失敗判別方法[J]．電力系統及其自動化學報，2013，25(2) ：98-102.

LI Sisi，BAI Shixiong，DING Zhilin，et al．Current-time Area Method for the Identification of Commutation Failure[J]．Proceedings of the CSU-EPSA，2013，25(2) ：98-102.

[5]邵瑤，湯涌．采用多饋入交互作用因子判斷高壓直流系統換相失敗的方法[J]．中國電機工程學報，2012，32(4)：108-115.

SHAO Yao，TANG Yong．A commutation failure detection method forHVDC systems based on multi-infeed interaction factors[J]．Proceeding of the CSEE，2012，32(4)：108-115.

[6]邵瑤，湯涌，郭小江，等．2015年特高壓規劃電網華北和華東地區多饋入直流輸電系統的換相失敗分析[J]．電網技術，2011，35(10)：9-15.

SHAO Yao，TANG Yong，GUO Xiaojiang，et al．Analysis on commutationfailures in multi-infeed HVDC transmission systems in North Chinaand East China power grids planned for UHV power grids in 2015[J]．Power System Technology，2011，35(10)：9-15.

[7]王晶芳，王智冬，李新年，等．含特高壓直流的多饋入交直流系統動態特性仿真[J]．電力系統自動化，2007，31(11)：97-102.

WANG Jingfang，WANG Zhidong，LI Xinnian，et al．Simulation to study the dynamic performance of multi-infeed AC/DC power systems including UHVDC [J]．Automation of Electric Power Systems，2007，31(11)：97-102.

[8]李新年，易俊，李柏青，等．直流輸電系統換相失敗仿真分析及運行情況統計[J]．電網技術，2012，36(6)：266-271.

LI Xinnian，YI Jun，LI Baiqing，et al．Simulation Analysis and Operation Statistics of Commutation Failure inHVDC Transmission System[J]．Power System Technology，2012，36(6)：266-271.

[9]汪隆君，王鋼，李海鋒，等．交流系統故障誘發多直流饋入系統換相失敗風險評估[J]．電力系統自動化，2011，35(3)：9-14.

WANG Longjun，WANG Gang，LI Haifeng，et al．Risk Evaluation of Commutation Failure in Multi-infeed HVDC Systems Under AC System Fault Conditions[J]．Automation of Electric Power Systems，2011，35(3)：9-14.

[10]朱韜析，武誠，王超．交流系統故障對直流輸電系統的影響及改進建議[J]．電力系統自動化，2009，33(01)：93-98.

ZHU Taoxi，WU Cheng，WANG Chao．Influence of AC System Fault on HVDC System and Improvement Suggestions．Automation of Electric Power Systems，2009，33(01)：93-98.

[11]任景，李興源，金小明，等．多饋入高壓直流輸電系統中逆變站濾波器投切引起的換相失敗仿真研究[J]．電網技術，2008，32(12)，17-22.

REN Jing，LI Xingyuan，JIN Xiaoming，et al．Simulation Study on Commutation Failure Caused by Switching AC Filters of Inverter Stations in Multi-Infeed HVDC System[J]．Power System Technology，2008，32(12)，17-22.

[12]李國棟，皮俊波，王震，等.三峽近區電網交直流系統故障案例分析[J]．電網技術，2012，36(8)：124-128.

LI Guodong，PI Junbo，WANG Zhen，et al．Case Analysis of AC-DC System Faults in the Near Region Grids of Three Gorges[J]．Power System Technology，2012，36 (8)：124-128.

[13]任震，歐開健，荊勇．直流輸電系統換相失敗的研究(二)：避免換相失敗的措施[J]．電力自動化設備，2003，23(5)：5-8.

OU Kaijian，REN Zhen，JING Yong．Research on commutation failure in HVDC transmission system Part I：commutation failure factors analysis[J]．Electric Power Automation Equipment，2003，23(5)：5-8.

[14]袁陽，衛志農，王華偉，等．基于直流電流預測控制的換相失敗預防方法[J]．電網技術，2014，38(3)：565-570.

YUAN Yang，WEI Zhinong，WANG Huawei．A DC current Predictive Control Based Method to Decrease Probability of Commutation Failure[J]．Power System Technology，2014，38(3)：567-570.

[15]陳樹勇，李新年，余軍，等．基于正余弦分量檢測的高壓直流換相失敗預防方法[J]．中國電機工程學報，2012，36(8)：124-128.

CHEN Shuyong，LI Xinnian，YU Jun．A Method based on the sin-cos components detection mitigates commutation failure in HVDC[J]．Proceeding of the CSEE，2012，36(8)：124-128.

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

陳龍翔(1988—)，男，碩士，工程師，從事電網調度運行工作。

TM732

A

2095-1256(2017)05-0513-06

2017-05-23

(本文編輯：趙艷粉)