CJ换相失败的原因

换相失败的原因
一.换相失败的概念
换相失败是逆变器常见的故障，它是由逆变器多种故障所造成的结果，如逆变器换流阀短路、逆变器丢失出发脉冲、逆变侧交流系统故障等均会引起换相失败。

当逆变器两个阀进行换相时，因换相过程未能进行完毕，或者预计关断的阀关断后，在反向电压期间未能恢复阻断能力，当加在该阀上的电压为正时，立即重新导通，则发生了倒换相，使预计开通的阀重新关断，这种现象称为换相失败。

二.换相失败的特征
换相失败过程中，各电气量均发生剧烈波动，其中换流母线电压最低可降至0，直流电流一般可增加到额定电流的1.5 倍，直流有功功率可瞬时下降至0 甚至短时反向。

具体的特征归纳如下：
（1）关断角小于换流阀恢复阻断能力的时间（大功率晶闸管0.4ms ）
（2）6脉动逆变器的直流电压在一定时间下降到零
（3）直流电流短时增大
（4）交流侧短时开路，电流减小
（5）基波分量进入直流系统
对于12脉动逆变器，一个6脉动逆变器发生换相失败，由于换相失败反向电压减小一半，直流电流又增大，使得串联的另一个6脉动逆变器的换相角增大，也可能发生换相失败。

其直流电压和电流的变化趋势与6脉动逆变器相同。

三.换相失败的主要原因
造成换相失败的原因有：交流电压下降、直流电流增大，交流系统不对称故障引起的线电压过零点相对移动，触发超前角β过小或整定的关断角γ过小等。

各因素之间的相互关系可以用下面的数学关系表示：
γβμ=-
式中，γ为关断角，β为超前触发角，μ为换相角。

可见，γ直接决定于β角和μ角。

晶闸管实际需要的关键角min γ通常在6°~9°之间。

实际运行时的触发超前角β是由直流输电的控制器决定的，它与触发延迟角α的关系为0
180βα=-。

换相角μ决定于多个因素，其计算式为：
cos )d c v
X U μββ=-+ 式中，β为超前触发角，d I 为直流电流，c X 为换相电抗，当假设换流器交流母线装
有完善的滤波装置能使交流电压不畸变时，c X 即为折算到阀侧的换流变压器短路阻抗；
v U 换流变压器交流系统侧电压直流折算到阀侧的电压，不包括换流变压器中的压降。

以上4个变量中，β、d I 、v U 是系统运行时的状态量，在运行时时可变的；c X 是装置的特征参数，在系统运行时可以认为是固定的，但在系统规划阶段，装置的特征参数是可以选择的，因此，在系统规划阶段，可以认为c X 也是可变的。

多馈入直流输电系统的关断角大小与交流电压、直流电流、超前触发角、换流变压器变比、换相电抗、交流系统间的耦合阻抗、非对称故障等因素有关。

逆变侧发生换相失败的概率远大于整流侧，整流侧仅当触发电路发生故障时才会换相失败。

根据换相角μ的计算式可知，导致换相失败的主要因素有以下几种：
（1）换流母线电压
正常运行时，逆变站控制直流电压有快速调整和慢速调整2 种方式时，分别采用调节换流变压器变比n ，以及调节越前触发角来实现。

由于交流系统故障会导致换流母线电压v U 瞬时跌落，而变比调整以及直流输电系统控制器动作的时间常数较大，因此可以假定故障瞬间越前触发角β和变比n 保持不变。

当其他变量保持不变时，换相角μ随换流母线电压v U 的降低而增大，导致关断角γ减小，所以故障引起换流母线电压越低，发生换相失败的几率越大。

（2）直流电流
直流电流由整流站控制，关断角γ会随直流电流d I 的增加而减小。

当系统故障导致暂态直流电流d I 突然上升时，容易引起换相失败。

（3）超前触发角
关断角γ随超前触发角β的影响较大，会随其增大而显著增大，因此，改变超前触发角β的整定值来调节关断角γ的大小效果很明显。

但值得注意的是，直流系统传输的有功功率随超前触发角的增大而减少，消耗的无功功率随其增大而增大，直流输电系统经济性受到影响，因此需综合考虑来整定超前触发角。

（4）换流变压器变比
当其他变量一定时，减小变比可使关断角γ增大。

因此理论上可以通过增加换流变压器级数，调整变比使逆变器的关断角保持在一定的范围内。

（5）换相电抗
当其他变量保持不变时，换相电抗c X (换流变压器漏抗)越大，则关断角γ越小。

因
此，理论上在直流输电系统设计时减小漏抗可降低换相失败的风险。

然而，漏抗与故障时短路容量相关，过小则不能有效限制短路时的短路电流。

（6）不对称故障
当逆变侧交流系统发生不对称故障时，关断角 不仅受换相电压大小变化的影响，还受换流母线电压产生的过零点相位移的影响。

四.换相失败的动作保护
据统计，导致换相失败的原因大部分为交流电网扰动，认为关断角小于阀固有极限关断角是引起换相失败的根本原因。

对于多馈入直流输电系统，由于逆变侧交流系统之间存在电气耦合关系，使得单个逆变站的换相失败可能引发电气距离相近的其他逆变站同时或相继发生换相失败，从而对系统稳定性造成影响。

2010 年，南方电网发生了由于交流线路故障导致5 回直流线路同时换相失败事件；2011 年，华东电网也发生了由于交流系统扰动引起的3 回直流同时换相失败的情况。

但在故障清除后，直流系统均能快速恢复，交直流系统均能保持稳定运行。

目前国家电网公司投运的直流工程中一般均配有换相失败保护，当检测到2 个6 脉动桥之一发生换相失败认为是由于阀不能正确触发造成，一般延时600 ms 闭锁直流；而2 个6 脉动桥都发生换相失败故障则认为是由于交流系统故障造成，需要与交流保护配合，一般I 段延时2.6 s 闭锁直流，II 段延时10 s 闭锁直流。

即，由于直流自身故障引起的换相失败，延时600 ms 闭锁直流；由于交流系统故障引起的换相失败，至少要2.6 s 才会闭锁直流。

不同直流输电工程配置的直流闭锁动作时间会有所差异，例如天广直流配置了计数原理的换相失败保护，在3.5 s 检测到150 次换相失败时请求控制系统切换，保护在3.5 s 检测到260 次换相失败则动作闭锁直流。

五.换相失败的仿真分析方法
目前，在仿真计算分析中判断换相失败的方法有2 类：
（1）最小电压降落法。

该方法通过比较故障时的换相电压降落值与临界电压降落值的大小来判断系统是否发生换相失败，若换相电压降落值超过临界值，则可判断系统发生换相失败。

该方法是在假定无穷大交流系统的情况下基于换流器准稳态方程得出的，且忽略了故障下电压波形畸变对换相失败的影响，因此准确性较差，有时判断可能错误。

目前在机电暂态仿真程序中广泛使用。

（2）关断角判断法。

该方法通过故障情况下换流器关断角与发生换相失败所对应的临界关断角之间的大小判断系统是否发生换相失败。

关断角判断法从换相失败的本质出发，因此较电压降落法准确，主要应用于电磁暂态仿真软件。