交流单相故障对高压直流输电换相失败的影响

arctan（ !U / !3（2 - !U）），
（6）
! V2 ，V5
=
arcco（s
!2kIc Xc
!3 - 3!U + !U2 U / !3
+ cos"）+
arctan（ !U / !3（2 - !U）），
（7）
!V3，V6 = arcco（s !2kIc Xc / U + cos"） = !0 。 （8）
工作站为硬件平台、与天广直流实际控制保护相一
致的基于单个 SIMANDYN D 组件的详细的直流控 制和保护仿真模型［4］，详细仿真分析了天广 HVDC
系统的换相失败。图 4、5 分别是广州北郊逆变站附
图 3 单相接地短路时各阀关断角和 !! 的关系曲线 Fig. 3 Extinction angles of different valves vs !! for single phase to ground short circuit
1 造成换相失败的原因
HVDC 系统中阀元件是可控硅元件，其载流子 复合和建立 P-N 结阻挡层所需时间可用固有极限
交流系统 A 相发生接地短路故障瞬间，换流变 压器（ Y / Y - 12 接线）网侧 A 相电压下降了 "U（ 标 幺值），而 B、C 相不变，则阀侧换相电压与网侧一 致，相电压交点 C1 、C4 将后移，而 C3 、C6 前移，它们 移动的角度幅值相等（ 见图 1），根据正弦定理得
3 Thio C V，Davies J B，Kent K L. Commutation faiIures in HVDC transmission system［s J］. IEEE Trans on Power DeIivery，1996，11
荆 勇 1963 年生，博士，高工，研究高压直流输电、交直流混合系 统运行控制和电力系统规划。电话：（020）85598785-4409
U* = !3 - 3"U + "U2 。
（5）
换流变压器抽头的调整需一定时间，故障瞬间
可认为其变比不变。考虑到换相电压的 #，A 相接
2004 年 3 月
高电压技术
第 30 卷第 3 期 ·61·
图 1 单相接地短路时的换相电压和相位移
Fig. 1 The commutating voltage and phase shift for single phase to ground short circuit
间，换相 电 压 只 有 额 定 值 的 0. 873 倍，而 其 $ =
4. 93 ，使 !V1，V4 达到临界 !min = 10 ，从而最易发生换 相失败，而此时 !V2，V5 = 19. 9 ，!V3，V6 = 19. 2 。 3 采用单相重合闸对换相失败的影响
单相重合闸是在交流线路单相对地闪络时所采
欧开健 1974 年 生，硕 士，助 工，主 要 研 究 高 压 直 流 输 电。电 话： （020）85598785-4402
（2）：946-957
交流单相故障对高压直流输电换相失败的影响
作者： 作者单位：
刊名： 英文刊名： 年，卷(期)： 被引用次数：
对于天广 HVDC 系统的逆变站，换流变额定容 量为 1011 / 505. 5 / 505. 5 MVA；额 定 电 压 为 230 / 198. 5 / 198. 5 kV（ k = 1. 0 p. L. ）；短路阻抗为 15% ； 额定直流电压为 1 466 kV；直流电流为 1 800 kA；换 流母线线电压为 230 kV（1. 0 p. L. ）。由该原始条 件可得：Xc = 11. 692；运 行 点 的 触 发 越 前 角 "0 = 37. 4 ；关断越前角 !0 = 19. 2 ；换相角 #0 = 18. 2 。 由式（6）~（8）所得图 3 可见，阀 V1 和 V4 的关断角 最小，当 !U = 0. 260 p. L. 时，在 V1 、V3 间及 V4 、V6
取的清除故障、恢复线路运行的措施。若逆变站有
图 2 单相接地短路时 ! 和 !! 的关系曲线 Fig. 2 Curve of ! vs !! for single phase
to ground short circuit
地短路故障时，逆变器各个换流阀的 ! 为
! V1 ，V4
=
பைடு நூலகம்
arcco（s
!2kIc Xc
·60·
Mar. 2004
HIGH VOLTAGE ENGINEERING
Voi. 30 No. 3
交流单相故障对高压直流输电换相失败的影响
荆 勇1 ，欧开健1 ，任 震2 （1. 中国南方电网超高压输变电公司，广州 510620；2. 华南理工大学，广州 510640）
ANALYSIS ON INFLUENCE OF AC SINGLE PHASE FAULTS ON HVDC COMMUTATION FAILURE
摘 要 研究了直流输电换相失败的原因及其受交流系统
单相接地短路影响的特点，提出了分析该影响的新方法，并
针对天广直流输电系统，明确了广州逆变站附近交流线路可
正常采用单相自动重合闸技术。
关键词 直流输电 换相失败 交流单相故障 单相重合
闸
中图分类号 TM721
文献标识码 A
关断角 !min 来表示。阀运行的关断角 ! 与换流阀外 部电路条件密切相关。交流系统对称时，有［1］：
! = arcco（s !2 dXc / U + cos"）- #。 （2） 过零点前移时，! 会变小，逆变器更易换相失败。
大功率可控硅元件的去离子恢复时间约 400 !s （ 约 7 电角度），考虑到串联元件的误差，一个可控
硅阀的恢复时间 !min 匀10 。
引言
2 交流系统单相接地短路
换相失败是高压直流（ HVDC）输电系统最常见 的故障之一［1］，它 可 能 导 致 直 流 电 压 降 低、直 流 输 送功率减少、直流电流增大、换流阀寿命缩短、换流 变压器直流偏磁及逆变侧弱交流系统过电压等不良 后果，若换相失败后控制不当，还会引发后继的换相 失败，最终导致直流传输功率的中断。HVDC 换相 失败有一定的固有规律，多数研究认为，其根本原因 是交流电压幅值降低、直流电流突增和交流换相电 压过零点 相 角 偏 移 等［2，3］。 但 直 流 工 程 不 同，其 系 统参数和运行条件等就不同，换相失败的特点也就 不同。交流系统中大多为单相故障，因此本文分析 交流系统单相接地短路影响 HVDC 换相失败的特 点，并结合天广 HVDC 系统分析逆变站附近交流系 统采用单相重合闸技术对换相失败的影响，对于正 确认识交直流系统的运行规律有重要的现实意义。
can be appiied to AC transmission iines near Guangzhou inverter
station.
Key W r s HVDC commutation faiiure AC singie phase
fauit singie phase auto reciosing
近交流系统的单瞬和单永故障的直流系统动态仿真 曲线，可见故障切除、两相不平衡运行期间换相失败 恢复，未产生连续换相失败，仅在单相重合于故障等 扰动时才会再次换相失败。故逆变站附近交流系统 线路可采用单相重合闸。 4结论
当逆变侧交流系统发生不对称的单相接地短路 故障时，换相电压的大小变化和过零点相位移都将 影响直流输电系统换相失败，但直流输电系统往往 能很快从换相失败中恢复。针对天广直流输电系统 实际情况的研究结果表明，逆变站附近交流线路可 正常采用单相重合闸技术。
相换相电压仍可保持一定幅值，维持正常换相顺序， 逆变器可逐步恢复正常运行，输出功率。重合闸时， 若单相故障未被清除，相当于又一次单相短路，逆变 器可能又一次换相失败，再逐渐恢复。故障线路跳 三相切除后或重合成功，换相电压将恢复正常，逆变 器也恢复正常运行。
本文利用以 PSCAD / EMTDC 为软件平台、SUN
! = arcco（s !2 dXc / U + cos"）， （1） 式中，d 为直流电流， 为换流变压器的变比，U 为 换流母线线电压有效值，Xc 为换相电抗，" 为触发越 前角。! < !min时就可能换相失败。
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 #），则：
!3 - 3!U + !U2 U / !3
+ cos"）-
多回交流线路送出，其中一回单相对地闪络，则尽管 故障瞬间逆变器可能换相失败，但在关断角调节器 的作用下，立即增大 "，逆变器在几十 ms 内即可恢 复正常换相顺序。单相故障清除后，交流系统两相 运行，相当于单相断线，由于换流变压器的三角接线 的互感作用，或其他正常交流线路的支撑，逆变器各
"U / sin# = !3 / sin（180 - 30 - #）， （3） # = arctan（ "U / !3（2 - "U））， （4）
式（ 4 ）与 # = 30 - arctan（ !3（/ 1 + 2（/ 1 "U）））［3］ 等价，但前者比后者更简练，使用更方便。
由式（4）所得图 2 可见，逆变侧交流系统发生 不对称的单相对地短路故障时，换相电压的 # 随换 相母线的 "U 增大（0 ~ 1 ）而增大（0 ~ 30 ）。另 外，A 相电压下降后，B、C 相间的线电压保持不变， 而根据三角关系可得 A、B 相间和 C、A 相间的线电 压（ 以相电压有效值为基准值的标幺值）为
ence of singie phase to ground fauit on commutation faiiure ac-