直流輸電系統(tǒng)換相失敗簡介

2020年10月

直流輸電系統(tǒng)換相失敗簡介

目錄一換流器的換相方式及過程三換相失敗的后果二換相失敗的機理四預防換相失敗的措施

一、換流器的換相方式及過程電網換相換流器采用半控型的晶閘管器件，依靠電網實現換相（晶閘管的關斷必須借助換流器外部的換相電源（電網）加以實現）。這種直流輸電方式叫常規(guī)高壓直流輸電。器件換相換流器采用全控型電力電子器件，基于器件實現換相。這種直流輸電方式叫輕型高壓直流輸電。1、直流輸電換相方式

一、換流器的換相方式及過程2、晶閘管的基本特性

一、換流器的換相方式及過程正向導通條件：主電路：陽極（A）和陰極（K）之間施加正向電壓；控制電路：門極（G）和陰極（K）之間施加觸發(fā)脈沖。晶閘管一旦導通，門極就失去控制作用。反向阻斷：流經晶閘管的電流小于其維持電流，自然關斷（即閥電壓等于零或為負，并維持一段時間）。注：晶閘管關斷后不能立即恢復正向阻斷能力，需要一段載流子復合的時間。載流子復合：電子和空穴復合在一起，即電子跳到空穴的位置上，把空穴填補掉，這時電子和空穴就隨之消失，這種現象稱為電子和空穴的復合。

假設換相在瞬間完成（理想狀態(tài)），每一時刻由最高交流電壓的晶閘管和最低交流電壓的晶閘管導通，按照一定順序通斷將交流電壓變換成六脈動的直流電壓。3、理想換相過程

一、換流器的換相方式及過程定義：自然換相點：晶閘管處于正向電壓時。觸發(fā)角α：從自然換相點到晶閘管閥的門極上施加觸發(fā)信號這段時間所對應的電角度，觸發(fā)角也叫觸發(fā)延遲角或點火角。整流時一般取值，影響輸出的直流電壓。換相角μ：換相過程持續(xù)的時間對應的電角度成為換相角。4、實際換相過程

5、逆變換相過程

二、換相失敗的影響因素

二、換相失敗的影響因素

換流變壓器變比k減小，可以使γ變大，從而減小換相失敗的發(fā)生機會。但是運行中調整變比的時間常數較大，所以對故障暫態(tài)時它不能防止換相失敗的發(fā)生。其它參數不變，γ隨直流電流的增大和換相母線電壓的降低都會導致γ降低，從而引起逆變器的換相失敗。換相阻抗主要是換流變壓器的短路電抗。換流變壓器漏抗越大，則γ越小。5、β角對換流失敗的影響γ隨β角的增大顯著增大，對逆變換相失敗十分有利。但β角的增大會減小直流系統(tǒng)的功率、增大系統(tǒng)消耗的無功功率，所以增大β角的整定值避免換相失敗是降低直流輸電系統(tǒng)運行經濟性為代價的。

二、換相失敗的影響因素γ隨U和β的變化曲線6、逆變側交流系統(tǒng)不對稱故障對換流失敗的影響

二、換相失敗的影響因素7、觸發(fā)脈沖控制方式對換流失敗的影響

二、換相失敗的影響因素8、交流系統(tǒng)的頻譜特性對換流失敗的影響逆變器換相成功需要一定的電壓時間面積(即換相齒面積),換相過程的電壓時間面積過小將引起換相失敗。逆變側交流系統(tǒng)故障后，逆變器換相電壓降低，換相的電壓時間面積減小，其減少的幅度由故障后換相電壓的波形決定，而故障后換相電壓的波形與交流系統(tǒng)的頻譜密切相關。如圖2-20所示，交流系統(tǒng)故障后，如果換相電壓u的波形為曲線1,則其換相過程的壓時間面積bceb小于換相必需的電壓時間面積acdfa,導致發(fā)生換相失敗:改變交流系統(tǒng)的頻譜特性，使故障后換相電壓的波形含有高頻振蕩成分，見曲線2,則此時的電壓時間面積b'ceb'大于面積acdfa,換相能夠成功。

二、換相失敗的影響因素

三、換相失敗的后果

三、換相失敗的后果直流電壓降低換相失敗的后果輸送功率減少逆變器發(fā)生換相失敗對直流輸電系統(tǒng)主要有以下影響：

1、一次換相失敗使逆變器出現了一次歷時約１／３基波周期的直流短路，但一次換相失敗對直流輸電系統(tǒng)影響不大，在許多情況下一次換相失敗可以自動恢復；2、兩次不連續(xù)的換相失敗會延長直流短路時間，使直流輸電系統(tǒng)受到更大的擾動；

3、兩次連續(xù)的換相失敗會把工頻交流引入到直流回路中，并將在直流回路中引起自由振蕩，可能會在直流系統(tǒng)中引起諧振過電壓；4、發(fā)生多次連續(xù)換相失敗后，直流系統(tǒng)將暫時停止運行，整流側直流節(jié)點對交流系統(tǒng)的注入電流為零。此狀態(tài)將一直維持到故障切除，交流電壓恢復后，直流系統(tǒng)再開始啟動、運行；

三、換相失敗的后果5、換相失敗將使得逆變器直流短路，其結果使得變壓器部分或全部被旁通，直流電壓降低，直流電流上升，而且直流線路中的電流超過交流線路的電流，這種效應可用來檢測換相失敗的出現；

6、正常換相時，每個換流閥都只在１／３基波周期內導通，發(fā)生換相失敗后，換相失敗的那個換流閥將長期導通，而且此時直流電流也有所增長，所以如果不采取有效的措施，換流閥會由于長期流過大電流而影響其運行壽命，甚至會遭到毀壞。

7、換相失敗期間，逆變器交流側線電流的正負半周很不對稱，即交流電流中存在直流分量，這將造成換流變壓器的直流偏磁，引起變壓器空載損耗增加，甚至引起嚴重的零序諧波使濾波器跳閘。

三、換相失敗的后果8、逆變器發(fā)生換相失敗會造成直流電流上升，整流側電流調節(jié)器增大觸發(fā)角以限制直流電流，此時整流器將消耗更多的無功功率，從而使整流側換相電壓下降。而在逆變側，由于換相失敗后逆變器側直流電壓為零，直流功率也降到零，從而逆變器的無功消耗也為零，結果使濾波器和無功補償裝置發(fā)出的無功功率流入交流系統(tǒng)，這會導致弱交流系統(tǒng)出現過電壓。

9、在交流系統(tǒng)故障期間，直流系統(tǒng)應該輸送盡可能多的功率，且在交流故障切除后使直流功率盡快地恢復，以緩解交流系統(tǒng)功率的不平衡，而換相失敗是導致直流功率不能快速恢復的主要原因，因為過快的直流功率恢復可能造成后繼的換相失敗和交流系統(tǒng)的電壓失穩(wěn)。

三、換相失敗的后果

四、預防換相失敗的措施

四、預防換相失敗的措施1、利用無功補償維持換相電壓穩(wěn)定2、采用較大的平波電抗器限制暫態(tài)時直流電流的上升3、系統(tǒng)規(guī)劃時降低換流變壓器的短路電抗4、增大關斷角γ或越前觸發(fā)角β的整定值5、采用適當的控制方式6、改善交流系統(tǒng)的頻譜特性7、人工換相1、依賴于電壓的電流限制2、增大換流閥觸發(fā)角β3、逆變器一次換相失敗故障的發(fā)展控制4、逆變器兩次連續(xù)換相失敗和多次連續(xù)換相失敗故障的發(fā)展控制5、直流系統(tǒng)采用適當的恢復速率防止繼發(fā)性換相失敗的措施（保護）逆變器發(fā)生換相失敗后，不需要馬上實行閉鎖保護，因為換流閥常常能從換相失敗中自動恢復。如果采取適當的措施，可以加速這個恢復過程，防止發(fā)生繼發(fā)性換相失敗，避免或減少換相失敗對輸電系統(tǒng)帶來更嚴重的后果。

四、預防換相失敗的措施

謝謝！目錄一換流器的換相方式及過程三換相失敗的后果二換相失敗的機理四預防換相失敗的措施

一、換流器的換相方式及過程電網換相換流器采用半控型的晶閘管器件，依靠電網實現換相（晶閘管的關斷必須借助換流器外部的換相電源（電網）加以實現）。這種直流輸電方式叫常規(guī)高壓直流輸電。器件換相換流器采用全控型電力電子器件，基于器件實現換相。這種直流輸電方式叫輕型高壓直流輸電。1、直流輸電換相方式

一、換流器的換相方式及過程2、晶閘管的基本特性

一、換流器的換相方式及過程正向導通條件：主電路：陽極（A）和陰極（K）之間施加正向電壓；控制電路：門極（G）和陰極（K）之間施加觸發(fā)脈沖。晶閘管一旦導通，門極就失去控制作用。反向阻斷：流經晶閘管的電流小于其維持電流，自然關斷（即閥電壓等于零或為負，并維持一段時間）。注：晶閘管關斷后不能立即恢復正向阻斷能力，需要一段載流子復合的時間。載流子復合：電子和空穴復合在一起，即電子跳到空穴的位置上，把空穴填補掉，這時電子和空穴就隨之消失，這種現象稱為電子和空穴的復合。

假設換相在瞬間完成（理想狀態(tài)），每一時刻由最高交流電壓的晶閘管和最低交流電壓的晶閘管導通，按照一定順序通斷將交流電壓變換成六脈動的直流電壓。3、理想換相過程

一、換流器的換相方式及過程定義：自然換相點：晶閘管處于正向電壓時。觸發(fā)角α：從自然換相點到晶閘管閥的門極上施加觸發(fā)信號這段時間所對應的電角度，觸發(fā)角也叫觸發(fā)延遲角或點火角。整流時一般取值，影響輸出的直流電壓。換相角μ：換相過程持續(xù)的時間對應的電角度成為換相角。4、實際換相過程

5、逆變換相過程

二、換相失敗的影響因素

二、換相失敗的影響因素

換流變壓器變比k減小，可以使γ變大，從而減小換相失敗的發(fā)生機會。但是運行中調整變比的時間常數較大，所以對故障暫態(tài)時它不能防止換相失敗的發(fā)生。其它參數不變，γ隨直流電流的增大和換相母線電壓的降低都會導致γ降低，從而引起逆變器的換相失敗。換相阻抗主要是換流變壓器的短路電抗。換流變壓器漏抗越大，則γ越小。5、β角對換流失敗的影響γ隨β角的增大顯著增大，對逆變換相失敗十分有利。但β角的增大會減小直流系統(tǒng)的功率、增大系統(tǒng)消耗的無功功率，所以增大β角的整定值避免換相失敗是降低直流輸電系統(tǒng)運行經濟性為代價的。

二、換相失敗的影響因素γ隨U和β的變化曲線6、逆變側交流系統(tǒng)不對稱故障對換流失敗的影響

二、換相失敗的影響因素7、觸發(fā)脈沖控制方式對換流失敗的影響

二、換相失敗的影響因素8、交流系統(tǒng)的頻譜特性對換流失敗的影響逆變器換相成功需要一定的電壓時間面積(即換相齒面積),換相過程的電壓時間面積過小將引起換相失敗。逆變側交流系統(tǒng)故障后，逆變器換相電壓降低，換相的電壓時間面積減小，其減少的幅度由故障后換相電壓的波形決定，而故障后換相電壓的波形與交流系統(tǒng)的頻譜密切相關。如圖2-20所示，交流系統(tǒng)故障后，如果換相電壓u的波形為曲線1,則其換相過程的壓時間面積bceb小于換相必需的電壓時間面積acdfa,導致發(fā)生換相失敗:改變交流系統(tǒng)的頻譜特性，使故障后換相電壓的波形含有高頻振蕩成分，見曲線2,則此時的電壓時間面積b'ceb'大于面積acdfa,換相能夠成功。

二、換相失敗的影響因素

三、換相失敗的后果

三、換相失敗的后果直流電壓降低換相失敗的后果輸送功率減少逆變器發(fā)生換相失敗對直流輸電系統(tǒng)主要有以下影響：

1、一次換相失敗使逆變器出現了一次歷時約１／３基波周期的直流短路，但一次換相失敗對直流輸電系統(tǒng)影響不大，在許多情況下一次換相失敗可以自動恢復；2、兩次不連續(xù)的換相失敗會延長直流短路時間，使直流輸電系統(tǒng)受到更大的擾動；

3、兩次連續(xù)的換相失敗會把工頻交流引入到直流回路中，并將在直流回路中引起自由振蕩，可能會在直流系統(tǒng)中引起諧振過電壓；4、發(fā)生多次連續(xù)換相失敗后，直流系統(tǒng)將暫時停止運行，整流側直流節(jié)點對交流系統(tǒng)的注入電流為零。此狀態(tài)將一直維持到故障切除，交流電壓恢復后，直流系統(tǒng)再開始啟動、運行；

三、換相失敗的后果5、換相失敗將使得逆變器直流短路，其結果使得變壓器部分或全部被旁通，直流電壓降低，直流電流上升，而且直流線路中的電流超過交流線路的電流，這種效應可用來檢測換相失敗的出現；

6、正常換相時，每個換流閥都只在１／３基波周期內導通，發(fā)生換相失敗后，換相失敗的那個換流閥將長期導通，而且此時直流電流也有所增長，所以如果不采取有效的措施，換流閥會由于長期流過大電流而影響其運行壽命，甚至會遭到毀壞。

7、換相失敗期間，逆變器交流側線電流的正負半周很不對稱，即交流電流中存在直流分量，這將造成換流變壓器的直流偏磁，引起變壓器空載損耗增加，甚至引起嚴重的零序諧波使濾波器跳閘。

三、換相失敗的后果8、逆變器發(fā)生換相失敗會造成直流電流上升，整流側電流調節(jié)器增大觸發(fā)角以限制直流電流，此時整流器將消耗更多的無功功率，從而使整流側換相電壓下降。而在逆變側，由于換相失敗后逆變器側直流電壓為零，直流功率也降到零，從而逆變器的無功消耗也為零，結果使濾波