換流器的故障分析與保護策略

1、換流器的故障分析與保護策略摘要高壓直流輸電技術(shù)必將以其技術(shù)上和經(jīng)濟上的獨特優(yōu)勢，在遠距離人容量輸電和全國聯(lián) 網(wǎng)兩個方面對我國電力工業(yè)的發(fā)展起到十分重要的作用。流器是換流站的心臟，同時與交流和直流系統(tǒng)相連，故其保護在直流保護中最重要也最 復雜，其故障分析的理論和方法、保護功能配置和原理，都與傳統(tǒng)的交流系統(tǒng)迥異。目前， 國內(nèi)對hvdc保護系統(tǒng)的分析、設計和研究還亟待進一步深入。本文以hvdc系統(tǒng)的12脈動換流器為研究對象，對換流器保護各種區(qū)內(nèi)故障從機理上進 行了分析。在考慮故障情況吋兩個6脈動換流器之間的相互影響下，提出了換流器故障的定性 分析和定量計算的方法。以cigre標準測試系統(tǒng)為例，對整流

2、器典型的換流內(nèi)故障進行了計 算。深入研究了hvdc換流器主保護（換流器閥短路保護、換相失敗保護、極差動保護）的 保護原理，在此基礎上，基于區(qū)內(nèi)外故障電流的定量計算方法，對整流器閥短路保護的整定 和靈敏度問題進行了研究。利用pscad/emtdc仿真軟件，基于cigre直流輸電測試系統(tǒng)，對換流器區(qū)內(nèi)所有 短路故障和相關的區(qū)外短路故障進行仿真驗證。結(jié)果表明，本文對換流器故障分析的理論和 方法正確、合理，對hvdc系統(tǒng)換流器保護的分析和整定有效、可靠。關鍵詞：直流輸電；換流器；故障分析；保護策略摘要i1. 緒論1l1課題背景11.2選題意義21.331.4本文主要工作42. 換流器故障分析52.1引

3、言52.2整流器閥故障62.3整流器肓流側(cè)故障152.3.1整流器直流側(cè)出口短路152.3.2整流器直流側(cè)接地短路172.4整流器交流側(cè)短路182.4.1整流器交流側(cè)兩相間短路182.4.2整流器交流側(cè)單相對地短路202.5逆變器故障222.5.1換相失敗222.5.2逆變器閥短路故障242.5.3逆變器直流側(cè)出口短路242.5.4逆變器宜流側(cè)接地短路252.5.5逆變器交流側(cè)單相短路262.5.6逆變器交流側(cè)兩相間短路262.6小結(jié)263. 整流器典型故障分析與計算283.1引言283.2區(qū)內(nèi)最嚴重故障時產(chǎn)生的最大故障電流283.3區(qū)內(nèi)最輕微故障時產(chǎn)生的最小短路電流313.4區(qū)處最嚴重故障時

4、產(chǎn)生的最大故障電流353.5小結(jié)464. 換流器保護原理研究484.1引言484.2閥短路保護504.2.1閥短路保護原理504.2.2閥短路保護的動作情況分析514.2.3閥短路保護的整定544.3換相失敗保護564.3.1換相失敗保護原理574.3.2換相失敗保護動作情況分析574.4極差動保護584.4.1 極差動保護原理584.4.2極差動保護動作特性分析58小結(jié)59結(jié)論60參考文獻611緒論1.1課題背景自1882年開創(chuàng)用直流輸電輸送電能的歷史以來，隨著電力電子技術(shù)的突飛猛進，高壓直 流輸電技術(shù)也得到飛速發(fā)展。由于高壓直流輸電在長距離輸電、電網(wǎng)互聯(lián)等方面具有獨特的 優(yōu)點，當今，作為高

5、壓交流輸電技術(shù)的有力補充，高壓直流輸電技術(shù)已在全世界得到越來越 多的應用。由于我國地域遼闊，能源分布及負荷發(fā)展很不平衡，水利資源主要集中在西南數(shù)省，煤 炭資源主要集屮在山西、陜西和內(nèi)蒙古西部，而負荷主要集屮在東部沿海地區(qū)，因此遠距離 大容量輸電勢在必行。另一方面，電網(wǎng)互聯(lián)是電力工業(yè)發(fā)展的必然趨勢，我國各大區(qū)和獨立 省網(wǎng)的互聯(lián)已進入實施階段，利用高壓直流輸電作異步聯(lián)網(wǎng)在技術(shù)上、經(jīng)濟上和安全性等方 面的優(yōu)勢已在世界范圍內(nèi)得到證明。因此高壓直流輸電技術(shù)必將以其技術(shù)上和經(jīng)濟上的獨特 優(yōu)勢，在遠距離大容量輸電和全國聯(lián)網(wǎng)兩個方面對我國電力工業(yè)的發(fā)展起到十分重要的作用。 我國已成為世界范圍內(nèi)直流輸電應用前景

6、最為廣闊的國家1-2.世界上很多國家都采用了這種技術(shù)。目前，在五大洲都分布有高壓直流輸電工程，且密 集于北美和西歐等經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)。隨著經(jīng)濟發(fā)展地域移向亞洲，我國及周邊地區(qū)的肓流輸電 工程越來越多。其中值得一提的是同為發(fā)展中的國家的印度。它具有五大區(qū)域電網(wǎng)，止在實 施用高壓直流輸電實現(xiàn)電網(wǎng)互聯(lián)，冃前已投運3條長距離大容量架空直流輸電線路。我國在1988年建成了從浙江穿山半島至舟山島lookv直流海底電纜送電實驗工程，額定 輸電容量為50mw,輸送距離13.5km。1990年，從湖北葛洲壩至上海的葛南雙極直流輸電線 路投入商業(yè)運行，其額定容量為1 200mw,額定電壓為±500kv,送電

7、距離為1 045km。它既 是我國第一條長距離人容量高壓直流輸電線路，又是區(qū)域電網(wǎng)直流互聯(lián)工程。中國電力從此 進入了交直流混合輸電的時代。2001年6月，從廣四天生橋至廣州北郊的天廣雙極直流輸電線路投入商業(yè)運行。這是我 國第二條長距離大容量高壓直流輸電線路，其額定容量為1 800mw,額定電壓為±500kv,送 電距離為960kmo為了將湖北三峽的電力東送華東地區(qū)，計劃再建兩條高壓育流輸電線路。 第一條從三峽左岸至江蘇常州，其額定容量為3 000mw,額定電壓為±500kv,送電距離為 970kmo第二條從三峽右岸至上海地區(qū)，計劃20072008年投運，其額定容量為3 00

8、0mw, 額定電壓為±500kv,送電距離約1 000kmo屆時包括葛南線在內(nèi)，將有7 200mw功率通過三 條高壓直流輸電線路把西部電力送往東部地區(qū)3-5在十五期間，需要向廣東地區(qū)輸送10,000mw的電力。在這些功率屮，計劃將有7800mw 通過三條直流線路輸送，即直流輸送容量占總輸電容量的78%。這三條直流線路分別是，第 一條是天廣雙極直流輸電線路，第二條從三峽至廣東惠州，其額定容量為3 ooomw,額定電 壓為±500kv,送電距離為975km。第三條從貴州安順至廣東肇慶，其額定容量也為3 ooomw, 額定電壓為±500kv,送電距離為940km57西北

9、華中行靠背直流聯(lián)網(wǎng)工程已于2005年投 運。該工程將把西北330kv電網(wǎng)和華中220kv電網(wǎng)互聯(lián)起來，輸送容量為360mwo但是，在 現(xiàn)階段，特高壓輸電技術(shù)儲備不足，沒有成套成熟的技術(shù)；而直流輸電在可控性、隔離故障 及運行管理等方面占有許多優(yōu)勢，特別是采用直流聯(lián)網(wǎng)時兩網(wǎng)之間的波動互不干擾，穩(wěn)定性 很高。因此，在未來20年，直流輸電將作為長距離大容量輸電的主要方式和500 kv交流網(wǎng)架 的強化措施，以便在無更高一級交流電壓輸電線路時形成人區(qū)電網(wǎng)互聯(lián)?？傊?，隨著直流輸電技術(shù)的日益成熟、輸電設備（主要是換流器）價格的下降和換流站可 用率的提高，高壓直流輸電技術(shù)系統(tǒng)將得到更多的應用1.2選題意義直流系

10、統(tǒng)保護采取分區(qū)配置，通常分為交流部分保護、直流部分保護和直流線路保護三 大類。交流部分保護包括換流變壓器及其閥側(cè)連線、交流濾波器和并聯(lián)電容器及其母線：換 流變壓器和常規(guī)變壓器一樣，配有主題保護，在電氣上配置有各種主保護和后備保護如差動 保護、交流過流保護等；換流站交流開關場設備配置常規(guī)的交流線路保護、交流母線保護、 重合閘和斷路器失靈保護等。直流部分保護分為換流器保護區(qū)、肓流開關場和中性母線保護 區(qū)及接地極引線和接地極保護區(qū)8-10其中換流器是高壓直流輸電系統(tǒng)中關鍵、復雜且昂貴的 元件，其故障形式和機理、保護配置和原理，都與交流系統(tǒng)有著很大的不同11-13流器是換 流站的心臟，同吋與交流和直流

11、系統(tǒng)相連，故其保護在直流保護中最重要也最復雜。不同直 流項目換流器保護的應用邏輯雖然不完全相同，但保護配置和保護原理大體上是一致的。 采用差動保護作為閥短路的主保護，同時直流電壓保護作為換流器后備保護。換流器一般 配置星側(cè)短路、角側(cè)短路、交流過流、星側(cè)橋差動、角側(cè)橋差動、閥組差動、極差動和直流 電壓保護等。因此，有必要對換流器的故障機理進行詳盡分析，對其保護原理進行深入研究, 找出現(xiàn)有的保護系統(tǒng)所存在的不足，并止對這些不足做出改進。這對于不斷完善保護配置和 保護策略，改進保護系統(tǒng)的參數(shù)設定和保證hvdc系統(tǒng)的安全運行具有一定的參考作用； 對于豐富直流保護理論具有一定的貢獻。鑒于此，木文選擇hv

12、dc輸電工程換流器為研究 對象，對hvdc換流器故障特征進行機理分析，在此基礎上對hvdc換流器保護原理和 動作特性進行深入研究，找出現(xiàn)有換流器保護的缺陷并加以改進。1.3研究現(xiàn)狀近年來hvdc技術(shù)應用廣泛，對直流保護的動作特性進行研究顯得刻不容緩。人們對 hvdc保護系統(tǒng)的保護配置、動作原理以及動作策略等方面展開了多方探討和研究14-16流 器保護區(qū)主要包括在閥廳交、直流穿墻套管之內(nèi)的換流器等各種設備故障的保護?，F(xiàn)有的 hvdc工程每極多采用12脈動換流器，它由兩個交流側(cè)電壓相差30o的6脈動換流器組成，換 流器保護以一個12脈動換流器為單元進行配置。hvdc輸電工程每極采用雙12脈動，即兩

13、個 12脈動換流器相串聯(lián)，hvdc的換流器保護也是以一個12脈動換流器為單元進行配置，兩個 12脈動換流器的保護分區(qū)相互獨立。換流器保護以電流差動保護為主保護，差動保護組通過 對換流變壓器閥側(cè)套管中電流互感器、換流器直流高壓端和中性端出口穿墻套管電流互感器 的測量值比較，根據(jù)各種電流的差值情況，區(qū)別不同的換流器故障而設置不同的保護。以交 流電流大于直流電流為判據(jù)的保護，可作為閥短路、換流器交、直流端短路故障的保護;以換 流器直流側(cè)高壓端和低壓端電流的差值為判據(jù)的換流器差動保護，可作為換流器對地短路故 障的保護；以直流電流大于交流電流為判據(jù)的差動保護，可作為逆變器換相失敗等故障的保 護。另外，換

14、流器還配備有一些后備保護和輔助保護。如通過對換流器變壓器閥側(cè)電流、換 流器直流側(cè)中性母線電流以及換流閥冷卻水溫度等參數(shù)的測量，構(gòu)成的換流器的過電流保護, 作為電流差動保護的后備保護；觸發(fā)保護是通過對控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖與換流器晶閘管元件 實際返回的觸發(fā)脈沖作比較，可作為換流器的誤觸發(fā)或丟失脈沖的輔助保護。在換流閥內(nèi)還 需要為晶閘管設置強迫導通保護，以避免當閥導通時，某個晶閘管開通不了而承受過大的電 壓應力。電壓保護包括以交流或直流側(cè)電壓作為監(jiān)控對象的保護，保護目的是避免交流電壓 對所有換流設備產(chǎn)生過高的電氣應力，以及防止所有由于換流變壓器分接頭開關不正常運行 造成換流器開路運行。本體保護是對閥的

15、熱過應力進行保護，可通過對閥溫度的監(jiān)視和計算 得到閥的熱過應力的大小。這樣的保護設計和驗證體系與交流系統(tǒng)不同，沒有完整的故障分 析理論指導。因此，直流保護設計中，可能會出現(xiàn)同預想的故障情況不同的例外。因為直流 控制保護系統(tǒng)基本源自西門子或者abb的技術(shù)體系.其中包含了多年的直流運行經(jīng)驗.實 際運行中發(fā)生概率比較人的故障，均已經(jīng)得到有效的覆蓋17-19是，隨著直流控制保護技術(shù) 的國產(chǎn)化推進和新技術(shù)的應用。這種基于經(jīng)驗的保護系統(tǒng)設計方法，非常容易造成不必要的 損失。因此，建議針對直流系統(tǒng)典型故障點。開展基礎理論分析，定性確定各種故障情況的 最惡劣情況，然后結(jié)合仿真計算方法.指導直流保護的設計和設定

16、工作.以早日達到直流保 護標準化、模塊化設計的目的。以前的文獻對整流器的故障分析6脈動器基礎上。雖然12脈動 器故障特征雖然與6脈動相似，但是雙橋整流器由于兩橋之間存在著耦合電感，在止常運行情 況下，交流母線電壓是周期性重復的，可以采用交流濾波器實現(xiàn)橋間解耦，但是當其中一個 橋處于故障狀態(tài)時，交流母線電壓的周期性被破壞，由于橋間耦合電感的存在，將引起交流 母線電壓發(fā)生變化，從而影響到非故障橋，特別是在非故障橋換相吋，還會出現(xiàn)兩橋換流變 閥側(cè)同時發(fā)生短路的情況，兩橋通過耦合感抗和互影響，交流母線電壓嚴重畸變，從而造成 12脈動障分析比6脈動器要復雜得多。因此需要以12脈動換流器為模型展開分析。從

17、冃前的 研究現(xiàn)狀來看，hvdc換流器故障分析和保護原理研究得到越來越多國內(nèi)外學者的重視，并 己取得一系列成果。但是，對換流器故障的分析多建立在6脈動換流器基礎上，需要對以12 脈動為模型展開分析；交流系統(tǒng)保護動作特性分析較為成熟，直流線路行波保護的動作特性 也有較多學者涉足，相比之下，應加強對換流器保護動作特性的分析；需要對作為換流器主 保護的閥短路保護、換和失敗保護、極差動保護等保護原理和動作特性進行更深入的研究。 1.4本文主要工作本文所做的工作主要有：1.本章以高壓直流輸電12脈動換流器為研究對象，對換流器保 護內(nèi)區(qū)閥短路故障、換相失敗、換流器直流側(cè)出口短路、換流器直流側(cè)短路、換流器交流

18、側(cè) 短路等各種故障從機理上進行了分析，在考慮故障情況時兩個6脈動換流器之間的相互影響 下，提出了換流器故障的定性分析和定量計算的方法。2.以cigre標準測試系統(tǒng)為例， 對整流器典型的區(qū)內(nèi)外故障進行了計算，分別用以確定故障時設備所承受的最大過應力、和 后面閥短路保護整定和靈敏度檢驗。其后通過和故障仿真的電流波形相對比，驗證了本文對 換流器各種故障所作的理論分析和定量計算的正確性。3.在換流器故障分析的基礎上，通 過對換流器保護所需的電流量之間的關系與變化規(guī)律，深入研究了作為換流器主保護的換流 器閥短路保護、換和失敗保護、極差動保護的保護的原理，詳盡分析了換流器保護區(qū)內(nèi)的各 種故障和區(qū)外的典型故

19、障下保護的動作情況。4.基于區(qū)內(nèi)外故障電流的定量計算方法，對整 流器閥短路保護的整定和靈敏度問題進行了研究。利用pscad/emtdc仿真軟件，對換流 器區(qū)內(nèi)的所有短路故障和一些區(qū)外短路故障進行仿真驗證。結(jié)果表明，本文對換流器閥短路 保護、換相失敗保護保護和極差動保護原理的分析正確、合理，對整流器閥短路保護的整定 有效、可靠。2 換流器故障分析2.1引言換流器是換流站的心臟，同時與交流和直流系統(tǒng)和連，故其保護在直流保護中最重要也 最復雜。不同直流項目換流器保護的應用邏輯雖然不完全相同，但保護配置 和保護原理大 體上是一致的。采用差動保護作為閥短路的主保護，同吋直流電壓保護作為換流器后備保護。

20、換流器一般配置星側(cè)短路、角側(cè)短路過流、星側(cè)橋差動、角側(cè)橋差動、閥組差動、極差動和 直流電壓保護等。換流器故障主要有：閥短路故障、換相失敗、換流器直流側(cè)出口短路、換 流器交流側(cè)短路、換流器直流側(cè)短路和控制系統(tǒng)故障等。圖21為單極12脈動直流輸電系統(tǒng) 換流器故障點示意圖。現(xiàn)有的hvdc工程每極多采用12脈動換流器，其中hvdc工程每極 采用兩個12脈動換流器串聯(lián)。雙12脈動換流器的故障特征與12脈動換流器相似，uhvdc 的換流器保護也是以一個12脈動換流器為單元進行配置，兩個12脈動換流器的保護分區(qū)相互 獨立。另外，在雙極兩端中性點接地方式和單極金屬回線方式下，換流器的故障特征與單極 大地回線方

21、式下類似，所以本文以每極采用12脈動換流器的單極大地回線方式下?lián)Q流器的 故障進行分析。圖21單極12脈動直流輸電系統(tǒng)換流器故障點示意圖目前對換流器故障的分析多建立在6脈動換流器基礎上。雖然12脈動換流器在故障 時，故障橋的故障特征與6脈動換流器的一些故障特征相似，但是12脈動換流器兩橋z間 存在著耦合電感。在正常運行情況下，交流母線電壓是周期性重復的，可以采用交流濾波器 實現(xiàn)橋間解耦，但當其中一個橋處于短路狀態(tài)時，交流母線電壓的周期性被破壞，由于橋間 耦合電感的存在，將引起交流母線電壓發(fā)生變化，從而影響到另一個橋，特別是在非故障橋 換相吋，還會出現(xiàn)兩橋換流變閥側(cè)同時發(fā)生短路的情況，兩橋通過耦合

22、感抗相互影響，交流 母線電壓嚴重畸變，從而造成12整流器故障分析比6整流器要復雜得多。針對現(xiàn)有換流器 閥短路故障分析方法的不足，本文在分析過程中綜合考慮故障后橋間的相互影響，詳細分析12脈動換流器故障特征。2.2整流器閥故障閥短路是換流器內(nèi)部或外部絕緣損壞或被短接造成的故障，這時閥相當于在正反向電壓 作用下均能導通，是換流器最為嚴重的一種故障。逆變器各閥按正常導通時序工作時，不導 通的閥在較多時間內(nèi)處于正向阻斷狀態(tài)，因此當逆變器的某一閥發(fā)生短路故障時必將與故障 閥同半橋的正在導通的閥發(fā)生倒換相。在閥的正向或反向電壓阻斷期間都有可能發(fā)生短路故 障，其中在閥的正向電壓阻斷期間發(fā)生閥短路時，故障開始

23、時的情況和誤開通故障相同，隨 后當作用于閥上的電壓反向時，仍以反向?qū)ǖ墓收闲问奖憩F(xiàn)出來。所以本文對閥短路故障 的分析將以整流器閥在反向電壓阻斷期間發(fā)生短路故障為主。以當y橋整流器的閥匕、論的換和時刻ki發(fā)生閥短路為例分析閥短路過程。y接法換流 變壓器和接法換流變壓器具有相同的漏電抗x?.,交流母線到交流系統(tǒng)等值電勢e之間的等 值電抗為x- y橋和d橋的電流都流經(jīng)這一電抗，所以它是兩橋的梢合電抗。在正常運行情 況下，電壓波形周期性重復，可以通過交流濾波器可以實現(xiàn)橋間解耦。但是故障情況下，交 流電壓不再是周期性重復，由于橋間耦合電抗x*的存在，故障橋交流側(cè)短路將造成交流母線 電壓發(fā)生畸變，從而影

24、響的非故障橋。選擇以y橋交流側(cè)線電壓“，作為基準，即y橋線電壓%二忑eswcot。相應的其他線 電壓可表示為：=v2esin（-120 ）,暮二 “esin（血+ 120）；。橋：也二血肌皿以+ 90°）。電源相電壓為:s、= v2£sin（6-30°）%、二 jesin（血-150j =v273£sin（ + 150°）,勺（血+ 30”），= v273£sin（-90 ） 其中 e為電源線電動勢的有效值。令線電壓紜二desin血過零時刻為m = 0o 第一階段，血=°至。（：的觸發(fā)脈沖&發(fā)出吋刻）在這段時間內(nèi)，故

25、障尚未發(fā)生，此時有閥仏、】、2、導通，導通閥電流等于打。第二階段，曲自"至30 +&處"時刻發(fā)出塔的觸發(fā)脈沖&，閥匕|開始導通，與閥匕進行換相，閥論導通后，y橋的兩相形成短路，由£訥產(chǎn)生的兩相短路電流山由下式?jīng)Q定：2（厶 x +s=2esin cot初始條件為血=0, b=o,求積分后可得：(2-1)bi =人2 (cos a - cos cot)iv2e其中'22(x? + xx),是兩相短路電流的幅值。丫橋交流側(cè)三相電流仏、認、和導通閥的閥電流分別為：(2-2)(2-3)(2-4)(2-5)(2-3)31 = bl = /、2(cosq

26、-cosg/)= id 一& = id 一/罷(cosa-coser)4i=【d lvyb = z31 , lvya =仃，lvyc = l2當換相結(jié)束時，m = a +二厶，由式(21)可以求出換相角：-t/z/( = cos cos a-ala假設在換相結(jié)束后閥嶺立即發(fā)生閥短路，則在正常換相的終點曲以后，上述情 況將繼續(xù)存在下去。閥鳥屮的電流繼續(xù)增大；閥滄屮的電流開始反向，并且它的絕對值也 不斷增大。本階段內(nèi)d橋2、嶺2導通，q相電流心“、c相電流心氐、閥電流«2、嶺2閥電流，22等 于打。圖22中的等邊三角形如心表示三相電源的電動勢矢量，y橋交流端電壓與三相電源電動 勢

27、相同，d橋交流端電壓大小和電源電動勢相等，相位滯后30。，如圖中等邊三角形所 示。y橋發(fā)生a、b相短路后，由于短路電流在互感抗xx上產(chǎn)生壓降，使交流母線矢量三角 形變成,圖中qc；和gd；是c、a兩相xx上的壓降，比和是c、°兩相的壓 降。交流母線矢量三角形變成。血q經(jīng)過變壓器的移相后得到d橋交流端電壓三角形為圖2-2 y橋發(fā)牛a、b兩相短路時引起交流母線電壓三角形的畸變假定系數(shù)(2-7)zxxky =x xx + x.則由于y橋的“相短路造成母線三相電壓分別下降:ke sin ax2卜5 =氣斗=pesin cot(2-8)畸變后的j "相線電壓,比畸變前的線電壓喺滯后一

28、個相角比o = tg-x4-3心(2-9)所以線電壓幺訥的過零點由原來的血= 30°時刻推至必=30° + &時刻。在血二4 + 30°時， 有觸發(fā)脈沖加在閥匕2上，若&>a,則閥2在血=30"+0時刻導通；若&va,在血= 0 + 30° 時刻導通。第三階段，血自3(r+&至90在血=30。+&時刻，閥2導通，與閥$進行換相，形成d橋交流側(cè)兩相短路。d 橋的g厶兩相短路時引起的交流母線電壓的畸變?nèi)鐖D23所示。力2圖2-3 d橋發(fā)生°、$兩相短路時引起交流母線電壓三角形的畸變d橋的g、“相

29、短路造成母線三相電壓的畸變量為：ea - e( a. = -kea = -£j2/3esin(血 + 150 )< 山；=賦=eak/2 =sin(血 + 150°)(2-10)eh = e 孑=eak/2 = kjl/6esin(血 +15(t)h"i此時y橋交流側(cè)相當于在之前 a、b相短路的基礎上，疊加一個由畸變量"；、"；、w；產(chǎn)生的三相畸變電流邊，由卜式?jīng)Q定：其屮必二也-也=馬帀£血（曲+ 150。），初始條件為朋=30。+ &時，心=°,解得:2(1燈cos(0f+ 150°) +2(1 燈

30、cos(30°+& + 15(t)(2-11)31 = a2 (c0s a c0s 4c2、rk、rki、2 cos6z cos6l¥cos(6l¥ + 150 )cos(30 +& + 150 )-k-k(2-12)(2-13)(2-14)lvyb = h lvya = z11 kyc = l2（2j5 ）d橋的2和2換相，a、“相線電壓匕也產(chǎn)生兩相短路電流。d橋相連的變壓器為三 角形接法，所以其兩相線電壓張2 =-7=-語（匕+北+"；）。此時d橋的0、“相短路電流由下式?jīng)Q定21 傀3 二丁 dt啖初始條件為血=30 + &&

31、#176;時，b=0,將式（28）和（210）代入解得：i 宀 -cos(6mf - 30°) +cos cot + cos() -cos(30° +0)2 1-k2 l-kl32 = lsc3(2-16)(2-17)(2-18)在此期間，當血= 0 + 60時，發(fā)出y橋打的觸發(fā)脈沖，但是在y、d橋分別"相短路的 共同影響下，y橋必相線電壓相比止常情況下滯后30。，所以必相線電壓的過零點由原來的 m = 60時刻推至m = 90時刻，在妙=90“ z前匕不能導通。當血=30。+ & +仏的時，換和結(jié)束,.7,代人式(2-16)由此可求得換和角仏。血= 3(

32、r + 0 + “2<9(y ,即在必=90。閥/到導通z前，叫2和完成換相，d橋兩相短路狀態(tài)結(jié)束。y橋按"短路電流計算，初始條件為必=30。+& + “2,31 = a 2cos ex, cos( 30 + 0 + /->) + - cos( 0 4- /?) + cos( 30 ° + & +150 ) 1 k,解得：z31 =/jeosa-cos 伽)+ /nz.j =空 /jeos(& + “2)+ cos(30° + & +150。)-k 一(2-19)(2-20)h h(2-21) lvyb h , lvya

33、 =斤,lyc l2(2-22)在本時段，和6脈動整流器同樣的故障條件下同樣的時刻發(fā)生發(fā)生閥短路故障相比相 比，由于非故障橋和故障橋z間的耦合電抗的影響，閥電流小和匚下降“。第四階段，血自90。至90°+。有第三階段的分析可知，直到cot = 90°時，閥厶陽極屯位高于陰極屯位，y橋閥厶導通, 和塔進行換相。此吋丫橋中的導通閥為匕、嶺1、$、和匕i，直流側(cè)被短接，y橋直流側(cè)輸 岀電壓為零。y橋進入交流側(cè)三相短路狀態(tài)。交流母線電壓和d橋交流側(cè)電壓對稱的下降，如 圖24所示。圖2-4y橋發(fā)生三相短路時引起交流母線電壓三角形的畸變在人和|換相結(jié)束之前，y橋b相短路電流為:3=爲

34、cos(m + 30°) + cj41e其中g(shù) v3(x7. + xx)是三相短路電流的幅值。初始條件為f = 90 , a = cosa + az ,代入解得： 右=/$2 cos a-人3 cos（血+ 30）+ 0.5+/（? 23 ）y橋交流側(cè)三相電流認、張、認和導通閥的閥電流分別為：zh =】d h =仃 -/.cosa+ 厶3cos（血+ 30。） + 0.5- /（2_24），21 =打一厶3【l cos一90'）（2-25）41 =_z21 =厶3 1一 cos（血一 90'）（2_26） lvya = l l4 , lvyb h , lvyc 12（

35、2-27）假設嶺i和禺換相結(jié)束時刻cot = 90j +角，在發(fā)出叫2的觸發(fā)脈沖時刻血=90° + 0之前。換 相結(jié)束時z41 = id ,帶入式(2-26),可以求得假設情況下的換相角心：角=cos-1 g(2-28)實際上故障發(fā)生后，由于直流輸出電壓的減小，直流電流仃也將隨著減小，換相角也比 式(228)要小，為筒化分析，不仿設a = g 即在發(fā)出的匕2觸發(fā)脈沖的同時，匕|和換 相結(jié)束，同時d橋中匕2導通，和嶺2進行換相。第五階段，血自血= 90 +a至120當血= 90。+儀吋，叫2導通。y橋中的導通閥為匕、：和5，交流側(cè)處于。、“兩相短 路狀態(tài)；d橋中的導通閥為嶺2、匕2、匕

36、2, d橋進入交流側(cè)。、c相短路狀態(tài)。d橋的g兩相短路時引起的交流母線電壓的畸變?nèi)鐖D25所示。圖25 d橋發(fā)生°、°兩相短路時引起交流母線電壓三角形的畸變由圖2-5可知，d橋交流側(cè)c兩相短路時，y橋交流側(cè)血相線電壓不受影響；所以在本階段中，y橋交流側(cè)電流可以按照第二階段的公式進行計，解得:31 = / jcos(血)+ coscr + cos(90 +6r)-/v3cos(120c +6z)+ 0.5+a/(2-29)(2-30)zn =【d(2-31)(2-32)式(2-29)在血= 180。時，將出現(xiàn)最大值，由于120° +僅180°,所以在本階段中

37、，認和 環(huán)一盲呈遞增趨勢，同理心“和小反向遞增。d橋交流側(cè)qc短路，由圖23可知y橋交流側(cè)“兩相短路時，d橋交流側(cè)"相線電壓不z42 = -is2 cos(a +180 ) - cos(0f + 90 )(2-33)z22 = id -i42 = id + is2 = id + zs2cos(cr+l80°)-cos(血 + 90')(2-34)4i= ld(2-35)受影響，所以按兩相短路電流計算公式可解得:(2-36)當換相結(jié)束時，血二。+仏，心=0,可以求出換相角:“4= coscos a -al 人2(2-37)換相結(jié)束后d橋中的導通閥為嶺2和匕2, d橋結(jié)

38、束交流側(cè)d、c相短路狀態(tài)，心嚴iqd, gf , g產(chǎn)-匚。y橋中的導通閥為匕、和匕,交流側(cè)繼續(xù)處于a、b兩相短路狀態(tài)此時，交流電流和閥電流繼續(xù)按式(229)(232)計算。第六階段，血自血= 120+。之后當血= 120。+。時，發(fā)出y橋閥論的觸發(fā)脈沖，此時y橋處于"相短路的狀態(tài)下，y橋加 對于式（2-39）,可以推導得當cot-9g =k7i時，心達到最大值。則對于本分析而言，相結(jié)電壓比正常情況下超前30',臨正常導通，交流側(cè)進入三相短路狀態(tài), 類似。y橋交流側(cè)三相電流認、認、認和導通閥的閥電流分別為：人2 -cos（120z +6t）+v2 cos（45° +

39、6z） cos（妙 + 30°） + v2 cos（a + 45 ） + 0.5+ a/分析與第四階段©31 _人3(2-38)5 =/s3【cos(30 +o)-cos(曲一90 )(2-39)(2-40)z4i = i”(2-41)lvya = l 41 lvyh =31 lvyc = 51故障發(fā)展到本階段，由于直流輸出電壓大幅度減小，特別是y橋直流側(cè)岀口電壓從第四 階段就一直為零，d橋受y橋的影響，直流輸出電壓也減小，所以實際上直流電流已減小接近 至零，可忽略d橋換相對y橋的影響。(2-42)對式（2-38）,可能推導得當曲+ 30°=s時，匚達到最大值。通

40、常僅<30“，在妙= 150。時 是環(huán)將取得最大值/川郴為：=/ v2 -cos(120° +q) +vcos(45" +<z) -人3 x/2 cos(a + 45 o) - 0.5+ /31 max s2(2-43)如果>30°, i3i最大值出現(xiàn)在必= a + 120。時，閥治觸發(fā)的時刻,此后匚單調(diào)減小。當血=180。+0時，發(fā)出y橋厶的觸發(fā)脈沖，因為閥匕|兩端電壓為零，所以閥匕和閥厶 不能換相，在閥|的電流心】減小到零以前，整流器一直存在著匕、嶺匕、匕|同時導通, 交流側(cè)三相短路與肓流側(cè)短路的情況。令式（238）中=°可求得：的

41、關斷時刻。對于式（240）可以推導得當一30= k兀時，兒達到最大值。對于木階段的分析而言,血= 210時心將取得最大值，厶論為：九/cos(12(t +a) +血(僅+ 45。) 4-zy3x/2(a + 45o)-0.5-a/m = 270°時z51將取得最大值，i51max = zi3cos（30°+a） + l o此式獨立的條件是，=270。之前論 不關段，但實際上由于血= 150時刻以后，將單調(diào)減小，所以在= 270以前©有可能已 經(jīng)減小至零，這種情況下$關斷z后，匕導通，和閥心換相，匕、臨、匕|和匕同時導通, y橋?qū)?個三相短路狀態(tài)而進入另一個三相短

42、路狀態(tài)，$短路電流不變；匕|關斷后，轉(zhuǎn)為"相短路，心二-為cos（血-60j + c。期間當血= 240 +g時發(fā)出的觸發(fā)脈沖，由于匕一直 導通，所以沒有影響。綜上，若閥叫i關斷時m < 270°，則在入關斷時5取得最大值；若閥嶺|關斷時曲>270°, 在血= 270°時乙將取得最大值，乩喚為：z51max 厶3 |cos（30 + q）+ 1（ 2 45 ）在6 = 300 +6z時刻發(fā)出匕勺觸發(fā)脈沖，介理直到330時嶺才導通，閥匕、匕嶺和 閥/導通，交流側(cè)進入三相短路狀態(tài)；換相結(jié)束后匕、塔、閥臨導通，轉(zhuǎn)為"相短路，并且直流母線被

43、閥嶺i、$短接；當血= 360°+。時閥匕| 乂導通，此時乂進入三相短路狀態(tài)， 導通的閥有匕、吩、匕i、匕1，其中閥匕|中的電流開始從零增長，而閥吩中的電流進一步降低直至關斷，重復以上階段。電流激增的閥的閥電流的最大值及其取得的時刻歸納為表21所示。其中,cos(& + “2 + cos(30 + & +15(t)表21報流器閥短路時閥電流的最大值閥最大值取得時刻閥電流的最大值血= 210°仏 x "d-/s2-cosa2a +a)+72(«+45°) +人3 v(a+45°)-0.5-a/oc > 30

44、6; 時，o)t 50°3 max =人 2 一 cos(l 20° + a) + vi cos(45° + a) -/s3v2 cos(g + 45°)-0.5+ a/a >30° 時，m = a + 120°z31max = /,21 cos(6t +120 ) + 42 cos(6z + 45°) - /v3 cos(6r + 150°) +v2 cos(g + 45 j + 0.5+ a/$m = 270°乳ax =/s3【cos(30°+a) + l/s.-> cosq-c

45、os（30 +& + “*）cos（& + ） + cos（30 + & +150 = idii-j求得。通過上術(shù)分析和計算可以得出如下結(jié)論：1）整流器發(fā)生閥短路的故障特征是交流側(cè)交替發(fā)生兩相短路的三相短路；通過故障閥的 閥電流反向，并劇烈增大；換流器交流側(cè)電流激增，直流輸出電壓、直流電流和輸送功率減 小。2）和6脈動整流器同樣條件下的發(fā)生的閥短路故障（同一系統(tǒng)在相同的運行方式下、同 樣的故障時刻發(fā)生的故障）相比，12脈動整流器由于耦合電抗的存在，故障電流的峰值有所 減小，減小的程度和耦合關系數(shù)£有關，£越人減小的越多，當交流系統(tǒng)無窮大吋，將不受影

46、響。3）故障電流的峰值和觸發(fā)解有關，觸發(fā)角越小，故障電流峰值越大。在0 = 0,打=0的理想空載情況下，在閥換相結(jié)束的關斷時刻立即發(fā)生短路將產(chǎn)生最大的故障電流。2.3整流器直流側(cè)故障換流器直流側(cè)出口短路，是指直流端子之間發(fā)生的短路故障，其故障點如圖g工中7、8、 9所示。換流器直流側(cè)接地短路，是指換流器直流高壓端、屮點、直流屮性端對地形成的短路 故障，其故障點分別如圖玄】中的10、11、12所示。2.3.1整流器直流側(cè)出口短路換流器直流側(cè)出口短路是指換流器出線至直 流線路電抗器z間發(fā)生的短路故障，其嚴重 性僅次于橋臂短路的整流器故障。當其中一個6脈動發(fā)生出口短路吋，故障點如圖豕i中的7、 8所

47、示。直流側(cè)被短接，輸出電壓為零。和閥短路類似，故障橋交流側(cè)交替發(fā)生兩和短路和三 廂短路，交流側(cè)電流激增，不同的是，直流側(cè)岀口故障，閥仍可保持單相導通的特性。直流 側(cè)輸出電壓為零。非故障橋受故障橋的影響，換相電壓減小，直流輸出電壓也將減小，輸送 功率大幅度下降。當12脈動換流器的岀口短路時，故障點如圖2兀中的9所示。直流側(cè)被短接，通過上下兩 個換流器共同形成短路冋路。故障發(fā)生時y橋的匕“嶺和d橋的2和匕2導通，故障發(fā)生后,12脈動換流器導通示意圖和故障電流通路示意如圖26所示。1 11v:2*aal2脈動換流器導通示意圖b）故障電流通路示意圖圖26 12脈動換流器導通導通示意圖和故障電流通路示意

48、圖其短路電流可以通過下式進行計算:4(lx+lj警之吶+ /式中l(wèi)h ,初始值等于零。隨后，當閥|導通后，y橋"兩相短接，一起和d橋相接，本階段y橋的叫、(2-46)%】和d橋的匕2、匕2和2導通，12脈動換流器導通示意圖和故障電流示意圖如圖27所示。a） 12脈動換流器導通示意圖b）故障電流通路示意圖圖27 12脈動換器導通導通示意圖和故障電流通路示意圖針對上述電路，有:3.5（厶* +厶今二卿,+0.5也+?。?2-47)(2-48)(2-49)2(厶x += ec2a2sc2(2-50)若其中一個換流器處于三相短路狀態(tài)，如y橋的】、匕|、嶺i、匕|和d橋的2、匕2、叫2a） 1

49、2脈動換流器導通示意圖b）故障電流通路示蕙圖導通時，導通示意圖和故障電流流通圖如圖28所示，貝id橋通過y橋?qū)ê烷y匕成短路冋 路，12脈動換流器導通示意圖和故障電流通路示意如圖28所示。圖28 12脈動換流器導通導通示意圖和故障電流通路示意圖各閥的閥電流可以通過三相短路電流的計算公式和基爾霍夫定律求得。在三相短路狀態(tài) 時，即使有觸發(fā)脈沖，由于陽極和陰極電位相等，閥不能導通。直到其中一個導通的閥電流 減小為零，關斷時才能有新的閥導通。新的閥導通后，兩橋又轉(zhuǎn)入另一個三相短路狀態(tài)，這 樣兩橋?qū)⑹冀K處于三相短路狀態(tài)。和6脈沖換流器肓流側(cè)出口故障相比，12脈動換流器換流器 岀口短路，通過兩個換流器共同

50、形成短路回短。和閥短路相比，由于直流出口故障時閥不能 反向，不會出現(xiàn)同一橋臂的三個閥同時導通的現(xiàn)彖，所以閥電流的峰值小于閥短路故障。 2.3.2整流器直流側(cè)接地短路整流器直流側(cè)高壓端短路的短路點如圖2衛(wèi)中的10所示。其形式與整流器直流出口短路故 障基本類似，直流端短路，短路使直流回路電阻減小，閥電流和交流側(cè)電流激增，比正常大 許多倍，直流岀口電壓降為零，直流線路側(cè)電流下降。不同的是，整流器直流側(cè)高壓端短路, 通過站接地網(wǎng)及直流接地極（在站內(nèi)接地開關閉合時不同過接地極），到達直流中性端，形成 直流端短路，短路電流經(jīng)接地極流回到直流中性母線，直流中性線電流增加。和直流側(cè)出口 短路故障相比，冋路電阻

51、有所增加，故障電流峰值比直流側(cè)出口短路故障小。整流器直流側(cè)中點短路的短路點如圖2二中的11所示。直流側(cè)的中點，指的是兩個6脈動 換流橋的直流側(cè)連結(jié)處。直流側(cè)中點對地短路，使低壓端的6脈動換流器通過站接地網(wǎng)及直流 接地極（在站內(nèi)接地開關閉合時不通過接地極），到達直流中性點。短路使直流冋路電阻減小, 閥電流和交流側(cè)電流激增，比正常大許多倍，由于直流側(cè)中點接地，低壓端6脈動閥直流出口 電壓為零，直流高壓端電壓下降了約二分么一，短路電流經(jīng)接地極流回到直流屮性母線，直 流中性線電流/增大。對于高壓端6脈動換流器，受故障流器的影響，交流側(cè)電流、直流輸出 電壓和電流減小。整流器直流側(cè)屮性端短路的短路點如圖2

52、工屮的12所示。由于直流系統(tǒng)正常運行時，直流 中性線電壓很小，雙極平衡運行吋只有十幾伏，單極大地回線也只有幾千伏，所以發(fā)生接地 故障對換流器的運行影響不大。只是由于短路電阻與接地極電阻并聯(lián)，在短路點和中性線之 間的電流會重新分配。2.4整流器交流側(cè)短路換流器交流側(cè)短路，一般是指換流器與換流變壓器之間的三相交流線路發(fā)生的簡單短路 故障。交流側(cè)對地短路故障點為圖樂1中的2、4,交流側(cè)相間短路故障點為圖工1中的1、3o 2.4.1整流器交流側(cè)兩相間短路換流器的交流側(cè)發(fā)牛相間短路是指換流器和換流變壓器之間的交流部分發(fā)牛相間短路。 在交流系統(tǒng)中將會岀現(xiàn)兩相短路故障電流，相間短路發(fā)生后，整流器、逆變器的故

53、障過程是 不相同的。相間短路發(fā)生在整流器的交流側(cè)吋，整流器的交流側(cè)就會出現(xiàn)兩相短路故障電流, 會使整流器的換相電壓失去，其直流電流和電壓以及輸送功率將迅速下降。整流器發(fā)牛交流 側(cè)兩相間短路故障時，故障橋交流側(cè)形成兩相短路，交流側(cè)電流增加；整流器失去兩相換相 電壓，由換流器的開關特性可知，直流側(cè)輸出電壓也相應的減小，從而引起直流電流減小， 輸送功率將迅速下降；非故障橋受故障橋短路的影響，輸出功率和交、直流側(cè)電流均減少。以當y橋整流器的閥匕、論的換相結(jié)束時刻其交流側(cè)發(fā)生b相間短路為例分析整流 器交流側(cè)兩相間短路過程。血= 120°+©之前的階段，和在匕、嶺的換相結(jié)束時刻匕發(fā)生閥

54、 短路故障類似，流過交流側(cè)的短路電流相同，不同的是，閥匕和閥滄被短路，交流側(cè)相間 短路故障發(fā)生后，匕和論被短路，沒有短路電流通過，彳關斷，環(huán)等于直流側(cè)電流打，其 余閥的閥電流和交流側(cè)電流均與閥短路故障相同。當必= 120°+a時,發(fā)出y橋匕的觸發(fā)脈沖,論正常導通,%開始和匕|進行換相,交流 側(cè)進入三相短路狀態(tài)，三相交流電流為：i. vya = 一人3cos(血 + 150) + cos(a + 270 )-0.5-cos(l2(t + /3)(2-51)一 /$2 cos a 一 cos(l 20° + a) + cos(90° + 心)vyh _ 1 s2一 c

55、os(l 20" +(7)+v2 cos(45 + a)一 /$3 cos(血 + 30°) +v2 cos(a+45°) + 0.5+ a/ 造成0、c相線電壓滯后3（r,所以直至血= 270°時，匕導通，和匕進行換相，交流側(cè)轉(zhuǎn)入 三相短路狀態(tài)：(2-52)ivyc =i5 = $ cos(30 + a) _ cos 一 90°)(2-53)此后單調(diào)減小。和閥短路過程不同，換相前山等于直流側(cè)電流，所以很快降為零, 可求出換相角：jli = cos-1 cos(30 +a) -30 -a【s3 _(2-54)對式(2-51)求導可得，當血= 2

56、10°時，g“將取得最大值，但4 + 120°+ <210°,所以,在血二a+12(r + “時，ivya取得最大值ivyam.dx:gamax = cos(g + 270" + “ ) + cos(g + 270 ) - 0.5 - cos(120 + “3 )一 i s2 cos a 一 cos(l 20 + o) + cos(90 + “3)(2-55)如果>30°, %的最大值出現(xiàn)在血= 0 + 120。時，閥吩觸發(fā)的時刻。通常情況下<30若同吋滿足o + 12(t+“ >150°,則在曲= 150”吋

57、，咖將取得最大值=z3imax = /v2-cos(l 20° +6r) +v2 cos(45° + a) 一 is41 cos(45° + a) 0.5+ mvybmax(2-56)若必”+120°+"vl50。,則在血n + 120 +“時，g忖取得最大值。換相結(jié)束后，給和厶導通，b相電流按d、方和短路電流計算:w=-/s2c0s()+a(2-57)y橋交流側(cè)三相電流恢、恢、和導通閥的閥電流分別為:51 = 41 = ld(2-58)(2-59)lvyc = <51(2-60)血= g+18(t時，發(fā)出閥嶺的觸發(fā)脈沖，閥匕|陽極和陰極電壓相等，不等導通，閥厶關斷之前，閥/都不能導通。血二僅+ 240時，發(fā)出閥匕的觸發(fā)脈沖，由于。、b兩相短路,(2-61)(2-62)(2-63)z51 = 一1$3 cos(血 一90°) + 冬lvyc = <51lvya = 51ivyb = 一人3 cos（血 + 30） + 4（2-64）閥匕關斷之后，交流側(cè)回到b兩相短路狀態(tài)，血= 4 + 300。時，發(fā)岀閥匕|觸發(fā)脈沖, 由于0、b兩相短路，造成0、c相線電壓滯后3（r,塔至曲= 330°