直流输电系统换相失败简介

直流输电系统换相失败简介
2020年10月
目录
三换相失败的后果
四预防换相失败的措施
一、换流器的换相方式及过程
1、直流输电换相方式
u电网换相
换流器采用半控型的晶闸管器件，依靠电网实现换相（晶闸管的关断必须借助换流器外部的换相电源（电网）加以实现）。

这种直流输电方式叫常规高压直流输电。

u器件换相
换流器采用全控型电力电子器件，基于器件实现换相。

这种直流输电方式叫轻型高压直流输电。

2、晶闸管的基本特性
正向导通条件：
主电路：阳极（A）和阴极（K）之间施加正向电压；
控制电路：门极（G）和阴极（K）之间施加触发脉冲。

晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。

反向阻断：
流经晶闸管的电流小于其维持电流，自然关断（即阀电压等于零或为负，并维持一段时间）。

注：晶闸管关断后不能立即恢复正向阻断能力，需要一段载流子复合的时间。

载流子复合：电子和空穴复合在一起，即电子跳到空穴的位置上，把空穴填补掉，这时电子和空穴就随之消失，这种现象称为电子和空穴的复合。

3、理想换相过程 假设换相在瞬间完成（理想状
态），每一时刻由最高交流电压的晶
闸管和最低交流电压的晶闸管导通，
按照一定顺序通断将交流电压变换成
六脉动的直流电压。

4、实际换相过程定义：
自然换相点：晶闸管处于正向电压时。

触发角α：从自然换相点到晶闸管阀的门极上施加触发信号这段时间所对应的电角度，触发角也叫触发延迟角或点火角。

整流时一般取值，影响输出的直流电压。

换相角μ：换相过程持续的时间对应的电角度成为换相角。

5、逆变换相过程
、换相失败的影响因素
、换相失败的影响因素换流变压器变比k减小，可以使γ变大，从而减小换相失败的发生机会。

但是运行中调整变比的时间常数较大，所以对故障暂态时它不能防止换相失败的发生。

其它参数不变，γ随直流电流的增大和换相母线电压的降低都会导致γ降低，从而引起逆变器的换相失败。

换相阻抗主要是换流变压器的短路电抗。

换流变压器漏抗越大，则γ越小。

5、β角对换流失败的影响
γ随β角的增大显著增大，对逆变换相失败十
分有利。

但β角的增大会减小直流系统的功率、
增大系统消耗的无功功率，所以增大β角的整
定值避免换相失败是降低直流输电系统运行经
济性为代价的。

γ随U和β的变化曲线
6、逆变侧交流系统不对称故障对换流失败的影响
7、触发脉冲控制方式对换流失败的影响
8、交流系统的频谱特性对换流失败的影响逆变器换相成功需要一定的电压时间面积(即换相齿面积) ,换相过程的电压时间面积过小将引
起换相失败。

逆变侧交流系统故障后，逆变器换相电压降低，换相的电压时间面积减小，其减少的幅度由故障后换相电压的波形决定，而故障后换相电压的波形与交流系统的频谱密切相关。

如图2-20所示，交流系统故障后，如果换相电压u的波形为曲线1,则其换相过程的压时间面积bceb小于换相必需的电压时间面积acdfa,导致发生换相失败:改变交流系统的频谱特性，使故障后换相电压的波形含有高频振荡成分，见曲线2,则此时的电压时间面积b'ceb'大于面积acdfa,换相能够成功。

、换相失败的后果
逆变器发生换相失败对直流输电系统主要有以下影响：
1、一次换相失败使逆变器出现了一次历时约１／３基波周期的直流短路，但一次换相失败对直流输电系统影响不大，在许多情况下一次换相失败可以自动恢复；
2、两次不连续的换相失败会延长直流短路时间，使直流输电系统受到更大的扰动；
3、两次连续的换相失败会把工频交流引入到直流回路中，并将在直流回路中引起自由振荡，可能会在直流系统中引起谐振过电压；
4、发生多次连续换相失败后，直流系统将暂时停止运行，整流侧直流节点对交流系统的注入电流为零。

此状态将一直维持到故障切除，交流电压恢复后，直流系统再开始启动、运行；
5、换相失败将使得逆变器直流短路，其结果使得变压器部分或全部被旁通，直流电压降低，直流电流上升，而且直流线路中的电流超过交流线路的电流，这种效应可用来检测换相失败的出现；
6、正常换相时，每个换流阀都只在１／３基波周期内导通，发生换相失败后，换相失败的那个换流阀将长期导通，而且此时直流电流也有所增长，所以如果不采取有效的措施，换流阀会由于长期流过大电流而影响其运行寿命，甚至会遭到毁坏。

7、换相失败期间，逆变器交流侧线电流的正负半周很不对称，即交流电流中存在直流分量，这将造成换流变压器的直流偏磁，引起变压器空载损耗增加，甚至引起严重的零序谐波使滤波器跳闸。

8、逆变器发生换相失败会造成直流电流上升，整流侧电流调节器增大触发角以限制直流电流，此时整流器将消耗更多的无功功率，从而使整流侧换相电压下降。

而在逆变侧，由于换相失败后逆变器侧直流电压为零，直流功率也降到零，从而逆变器的无功消耗也为零，结果使滤波器和无功补偿装置发出的无功功率流入交流系统，这会导致弱交流系统出现过电压。

9、在交流系统故障期间，直流系统应该输送尽可能多的功率，且在交流故障切除后使直流功率尽快地恢复，以缓解交流系统功率的不平衡，而换相失败是导致直流功率不能快速恢复的主要原因，因为过快的直流功率恢复可能造成后继的换相失败和交流系统的电压失稳。

、预防换相失败的措施
防止继发性换相失败的措施（保护）
逆变器发生换相失败后，不需要马上实行闭锁保护，因为换流阀常常能从换相失败中自动恢复。

如果采取适当的措施，可以加速这个恢复过程，防止发生继发性换相失败，避免或减少换相失败对输电系统带来更严重的后果。

1、依赖于电压的电流限制
2、增大换流阀触发角β
3、逆变器一次换相失敗故障的发展控制
4、逆变器两次连续换相失败和多次连续换相失败故障的发展控制
5、直流系统采用适当的恢复速率
谢 谢！
目录
三换相失败的后果
四预防换相失败的措施
一、换流器的换相方式及过程
1、直流输电换相方式
u电网换相
换流器采用半控型的晶闸管器件，依靠电网实现换相（晶闸管的关断必须借助换流器外部的换相电源（电网）加以实现）。

这种直流输电方式叫常规高压直流输电。

u器件换相
换流器采用全控型电力电子器件，基于器件实现换相。

这种直流输电方式叫轻型高压直流输电。

2、晶闸管的基本特性
正向导通条件：
主电路：阳极（A）和阴极（K）之间施加正向电压；
控制电路：门极（G）和阴极（K）之间施加触发脉冲。

晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。

反向阻断：
流经晶闸管的电流小于其维持电流，自然关断（即阀电压等于零或为负，并维持一段时间）。

注：晶闸管关断后不能立即恢复正向阻断能力，需要一段载流子复合的时间。

载流子复合：电子和空穴复合在一起，即电子跳到空穴的位置上，把空穴填补掉，这时电子和空穴就随之消失，这种现象称为电子和空穴的复合。

3、理想换相过程 假设换相在瞬间完成（理想状
态），每一时刻由最高交流电压的晶
闸管和最低交流电压的晶闸管导通，
按照一定顺序通断将交流电压变换成
六脉动的直流电压。

定义：
自然换相点：晶闸管处于正向电压时。

触发角α：从自然换相点到晶闸管阀的门极上施加触发信号这段时间所对应的电角度，触发角也叫触发延迟角或点火角。

整流时一般取值，影响输出的直流电压。

换相角μ：换相过程持续的时间对应的电角度成为换相角。

4、实际换相过程
5、逆变换相过程
、换相失败的影响因素
换流变压器变比k减小，可以使γ变大，从而
减小换相失败的发生机会。

但是运行中调整变比的时间常数较大，所以对故障暂态时它不能防止换相失败的发生。

其它参数不变，γ随直流电流的增大和换相母线电压的降低都会导致γ降低，从而引起逆变器的换相失败。

换相阻抗主要是换流变压器的短路电抗。

换流变压器漏抗越大，则γ越小。

5、β角对换流失败的影响
γ随β角的增大显著增大，对逆变换相失败十
分有利。

但β角的增大会减小直流系统的功率、
增大系统消耗的无功功率，所以增大β角的整
定值避免换相失败是降低直流输电系统运行经
济性为代价的。

γ随U和β的变化曲线
6、逆变侧交流系统不对称故障对换流失败的影响
7、触发脉冲控制方式对换流失败的影响
8、交流系统的频谱特性对换流失败的影响逆变器换相成功需要一定的电压时间面积(即换相齿面积) ,换相过程的电压时间面积过小将引
起换相失败。

逆变侧交流系统故障后，逆变器换相电压降低，换相的电压时间面积减小，其减少的幅度由故障后换相电压的波形决定，而故障后换相电压的波形与交流系统的频谱密切相关。

如图2-20所示，交流系统故障后，如果换相电压u的波形为曲线1,则其换相过程的压时间面积bceb小于换相必需的电压时间面积acdfa,导致发生换相失败:改变交流系统的频谱特性，使故障后换相电压的波形含有高频振荡成分，见曲线2,则此时的电压时间面积b'ceb'大于面积acdfa,换相能够成功。

、换相失败的后果
直流电压降低
换流变压
器直流偏
磁换相失败的后果直流电流增大
输送功率减少
换流阀寿
命缩短直流停运
逆变器发生换相失败对直流输电系统主要有以下影响：
1、一次换相失败使逆变器出现了一次历时约１／３基波周期的直流短路，但一次换相失败对直流输电系统影响不大，在许多情况下一次换相失败可以自动恢复；
2、两次不连续的换相失败会延长直流短路时间，使直流输电系统受到更大的扰动；
3、两次连续的换相失败会把工频交流引入到直流回路中，并将在直流回路中引起自由振荡，可能会在直流系统中引起谐振过电压；
4、发生多次连续换相失败后，直流系统将暂时停止运行，整流侧直流节点对交流系统的注入电流为零。

此状态将一直维持到故障切除，交流电压恢复后，直流系统再开始启动、运行；
5、换相失败将使得逆变器直流短路，其结果使得变压器部分或全部被旁通，直流电压降低，直流电流上升，而且直流线路中的电流超过交流线路的电流，这种效应可用来检测换相失败的出现；
6、正常换相时，每个换流阀都只在１／３基波周期内导通，发生换相失败后，换相失败的那个换流阀将长期导通，而且此时直流电流也有所增长，所以如果不采取有效的措施，换流阀会由于长期流过大电流而影响其运行寿命，甚至会遭到毁坏。

7、换相失败期间，逆变器交流侧线电流的正负半周很不对称，即交流电流中存在直流分量，这将造成换流变压器的直流偏磁，引起变压器空载损耗增加，甚至引起严重的零序谐波使滤波器跳闸。

、换相失败的后果8、逆变器发生换相失败会造成直流电流上升，整流侧电流调节器增大触发角以限制直流电流，此时整流器将消耗更多的无功功率，从而使整流侧换相电压下降。

而在逆变侧，由于换相失败后逆变器侧直流电压为零，直流功率也降到零，从而逆变器的无功消耗也为零，结果使滤波器和无功补偿装置发出的无功功率流入交流系统，这会导致弱交流系统出现过电压。

9、在交流系统故障期间，直流系统应该输送尽可能多的功率，且在交流故障切除后使直流功率尽快地恢复，以缓解交流系统功率的不平衡，而换相失败是导致直流功率不能快速恢复的主要原因，因为过快的直流功率恢复可能造成后继的换相失败和交流系统的电压失稳。

、预防换相失败的措施
1、利用无功补偿维持换相电压稳定
2、采用较大的平波电抗器限制暂态时直流电流的上升
3、系统规划时降低换流变压器的短路电抗
4、增大关断角γ或越前触发角β的整定值
5、采用适当的控制方式
6、改善交流系统的频谱特性
7、人工换相
防止继发性换相失败的措施（保护）
逆变器发生换相失败后，不需要马上实行闭锁保护，因为换流阀常常能从换相失败中自动恢复。

如果采取适当的措施，可以加速这个恢复过程，防止发生继发性换相失败，避免或减少换相失败对输电系统带来更严重的后果。

1、依赖于电压的电流限制
2、增大换流阀触发角β
3、逆变器一次换相失敗故障的发展控制
4、逆变器两次连续换相失败和多次连续换相失败故障的发展控制
5、直流系统采用适当的恢复速率
谢 谢！。