晶闸管阀换相失败判据的理论分析

H V D C换相失败判据及恢复策略的研究艾　飞,李兴源,李　伟,徐大鹏(四川大学电气信息学院,四川成都610065)摘　要:换相失败是指在换相电压反向之前未能完成换相的故障。

它是高压直流输电系统最常见的动态故障,为保证直流系统运行的安全、稳定性,对换相失败现象进行深入研究是十分必要的。

详细论述了换相失败的判据以及换相失败后应采取的恢复措施,对于保证直流系统稳定运行具有一定的指导意义。

关键词:高压直流输电;换相失败;判据;恢复策略A b s t r a c t:C o m m u t a t i o nf a i l u r e m e a n s t h e f a u l t t h a t t h e c o m m u t a t i o n p r o c e s s i s s t i l l u n c o m p l e t e dw h e n t h e c o m m u t a t i n g v o l t a g e i n v e r s e s.I t i s a d y n a m i c f a u l t t h a t f r e q u e n t l y o c c u r r e s i n h i g hv o l t a g e d i r e c t c u r r e n t(H V D C)s y s t e m s.I no r d e r t o g u a r a n t e e t h e s a f e t y a n d s t a b i l i t y o f H V D C's o p e r a t i o n,i t i s n e c e s s a r y t o r e s e a r c h t h e c o m m u t a t i o n f a i l u r e d e e p l y.T h i s p a p e r p r e s e n t s t h e c r i t e r i o n s a n dr e s t o r a t i o n m e a s u r e s a f t e r c o m m u t a t i o nf a i l u r e,a n d i t h a s t h ep r a c t i c a l l e a d i n g m e a n i n g f o r e n s u r i n g t h e s t a b l e o p e r a t i o n o f t h e H V D Cs y s t e m s.K e yw o r d s:H V D C;c o m m u t a t i o n f a i l u r e;c r i t e r i o n;r e s t o r a t i o nm e a s u r e.中图分类号:T M721.3　文献标识码:A　文章编号:1003-6954(2008)-04-0010-04 直流输电是电力技术与电子技术相结合的产物。

高压直流输电换相失败原因及对策摘要：换相失败在高压直流输电系统中时常发生，短时间内的换相失败不会造成严重后果，但长时间多次换相失败将导致直流系统停运。

造成换相失败的常见原因主要有:(1)交流侧系统异常，比如电压跌落、电压波形畸变等;(2)换流阀触发脉冲丢失;(3)直流电压、电流异常。

关键字：高压直流输电；换相失败；原因及对策1换相失败基本原理换相失败是直流系统常见的故障之一，一般单次换相失败仅会导致短暂的功率中断，其对系统影响不严重，只有发生连续换相失败可能引起直流闭锁。

换相失败一般都发生在逆变站，当逆变侧换流器两个桥臂之间换相结束后，刚退出导通的阀在承受反向电压的时间内，如果换流阀载流子未能完成复合并恢复正向阻断能力，或在反向电压持续期间未能完成换相，此时当阀两侧电压变为正向后，预定退出的阀将发生误导通，从而引起换相失败。

换相失败的特征是:(1)关断角小于换流阀恢复阻断能力的时间(大功率晶闸管约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。

2换相失败保护原理保护功能测量换流变阀侧Y绕组和D绕组的电流以及直流电流IDP和IDNC。

一个6脉动桥换相失败的明显特征是交流相电流降低，而直流电流升高。

换相失败可能是由一种或多种故障，如控制脉冲发送错误、交流系统故障等引起的。

阀的误触发或触发脉冲丢失会导致其中一个6脉动桥的连续换相失败;交流系统干扰会导致两个6脉动换流桥的连续换相失败。

对于一个6脉动阀组的持续换相失败和12脉动阀组的持续换相失败，保护分别经过不同的延时跳闸。

换相失败动作后果:单桥换向失败动作后果为请求控制系统切换;X闭锁;极隔离;跳交流断路器;起动断路器失灵保护;锁定交流断路器;启动故障录波。

双桥换相失败动作后果为请求控制系统切换;Y闭锁;极隔离;跳交流断路器;起动断路器失灵保护;锁定交流断路器;启动故障录波。

高压直流输电系统换相失败分析作者：苏催宋鑫源来源：《西部论丛》2019年第35期摘要：换相失败是高压直流输电系统逆变站最常见的故障之一，简介了永富直流输电系统中换相失败极控系统与极保护系统检测方法党的差异，比较了高肇直流输电系统换相失败的检测技术的优缺点，同时对交流系统电压波动引起的换相失败波形进行了分析，并就存在的问题提出整改建议。

关键词：直流输电;换相失败;极控系统;极保护系统引言换相失败是高压直流输电系统逆变站最常见的故障之一，它将导致直流电压降低、输送功率减小、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;若换相失败控制不当，还会引发连续的换相失败，最终导致直流停运。

而换相失败故障期间输入交流系统的电流发生了改变，引起系统潮流方向发生变化，还可能导致交流系统保护误动作，而富宁换流站处在若交流系统中。

因此，迅速正确的检测到换相失败并采取适当控制措施使直流输电系统尽快从故障中恢复，对整个电网的运行都至关重要。

根据统计，永富直流输电系统在2017年至2019年间就发生了23次换相失败，原因均是逆变站相连的广西电网交流电网发生交流系统故障。

本文比较了高肇直流与永富直流换相失败检测的不同逻辑，并对永富直流2018年9月发生的一起广西电网交流短路故障引起的典型换相失败进行分析，并就存在的问题提出整改建议。

1、换相失败的机理分析1.1换相失败定义当换流器在逆变运行时，从被换相的阀电流过零EOC算起，到该阀重新被加上正向电压ZV为止这段时间所对应的角度，也称为熄弧角。

如果熄弧角太小，以致晶闸管阀来不及完全恢复正常阻断能力，又重新被加上正向电压，它会自动重新导通，于是将发生倒换相过程，其结果将使该导通的阀关断，而应该关断的阀继续导通，这种现象称为换相失败。

1.2换相失败的原因（1）关断角γ过小;（2）受端交流电压下降较多;（3）直流电流增大;（4）触发脉冲丢失;（5）换流阀短路故障等。

一起阀组换相失败误判事件分析摘要：南方电网楚穗直流输电工程的换流站低压阀组在2015年11月29日发生了一次换相失败，对系统造成了一定的冲击，本文通过对故障时刻的录波文件进行分析，得出了该次事件为一次典型的换相失败误判事件，并对此提出了改进方案。

关键词：直流输电换相失败误判1概述换相失败是换流站常见的故障事件，换相失败的成因通常为交流系统电压跌落、交流系统电压波形畸变、直流电压或电流瞬时增加等[1]。

当发生换相失败后，直流系统会呈现出与短路相似的情况，而交流系统会呈现出与开路相近的情况，对电网会造成一定的冲击。

因此，对换相失败的判断，是直流输电工程必不可少的功能。

同样，如果误判了换相失败，会使控制系统采取本不该采取的应对策略，对系统同样造成冲击。

2 事件经过及录波分析2015年11月29日04:49:33，监控系统报穗东换流站极2低端阀组发生一次换相失败，同时，交直流系统电压与电流发生波动。

此次换相失败有以下现象：2.1电流波形显示并无出现换相失败现象事件发生时TFR录波如图1所示：图1 极2低阀组报换相失败期间换流变电流故障录波图1上部为星接桥换流变电流波形，中部为角接桥换流变电流波形，在系统发换相失败信号期间，各阀组均顺利地进行了换相，并没有出现换相失败的波形。

而在一次典型换相失败过程中，在系统发换相失败时刻，阀组换流变电流出现三相电流同时降为0的波形。

这是因为换相失败发生时，由于出现倒换相，在事故发展的初期，阀组出现旁通对，使直流短路，对系统而言，换流变进入短时的空载，因此电流为0[2]。

图1中换流变电流显示出阀组在系统报换相失败前后仍然经历了完整的换相过程，且没有任何一次换相出现异常，不存在换流变三相电流同时降为0的时刻。

两套组控系统测量与控制存在巨大差异图2 极2低阀组报换相失败期间触发角与熄弧角故障录波波形事件发生时，主用系统为系统为22VG21+U2（图2红线），备用系统为22VG21+U1（图2蓝线）。

高压直流输电系统分析的一些要点1、换相失败换相失败是直流系统比较关键且常见的故障。

当换流器做逆变运行时，从被换相的阀电流过零算起，到该阀重新被加上正向电压为止这段时间所对应的角度，也称为关断角（熄弧角）。

如果关断角太小，以致晶闸管阀来不及完全恢复正常阻断能力，又重新被加上正向电压，它会自动重新导通，于是将发生倒换相过程，其结果将使该导通的阀关断，而应该关断的阀继续导通，称为换相失败。

换相失败主要原因是交流系统故障，其使得逆变侧换流母线电压下降。

在一定的条件下，有些换相失败可以自动恢复。

但是如果发生两次或多次连续换相失败，换流阀就会闭锁，中断直流系统的输电通道，在严重的情况下可能会出现多个逆变站同时发生换相失败，甚至导致电网崩溃。

换相重叠角的影响：当β>γ时，换相结束时，晶闸管能承受反压而关断。

如果β2、无功补偿直流系统的无功计算，也是要分为常规计算和系统仿真两部分。

采用普通晶闸管换流阀进行换流的高压直流输电换流站，一般均采用电网电源换相控制技术，其特点是换流器在运行中要从交流系统吸取大量的无功功率。

与交换的有功功率成正比，在额定工况时整流装置所需的无功功率约为有功功率的30%~50％，逆变装置约为40%~60％。

常规计算的话，换流器消耗的无功功率可由下式表示：P为换流器直流侧功率，MW；φ为换流器的功率因数角；μ为换相角；α为整流器触发角。

当换流器以逆变方式运行时，式中的α用γ代替，γ为逆变侧关断角。

当然具体工程中，无功配置还涉及各种无功分组方案的比较，感性和容性都要考虑，但一般来说感性无功主要考虑小负荷方式无功过剩情况，很多时候计算出来是不需要配的。

然后就是系统仿真校核工作，就是用电力软件仿真各种工况下稳态和暂态的运行情况，故障方式下的稳定情况。

提供所需无功功率最节省的方法是使用并联电容器组。

既然无功随着所传输的直流功率变化，就必须提供可切换的适当容量的电容器组，以便稳态直流电压在各种负荷水平下保持在可接受范围（通常±5%）。

关于三相全控桥换相过程不能在180°以前完成，则将导致换相失败的分析：
（1）以触发1号晶闸管为例。

要能正常完成5号晶闸管到1号晶闸管的换相，触发1号晶闸管时，要求1号晶闸管的阳极电位必
须高于5号晶闸管的阳极电位。

（2）
由三相电压波形图可见，从1号自然换相点开始，在0~180°区间内，a相电位总是高于c相电位，在180°~360°区间内，a相电位总是低于c相电位。

可见，当控制角在0~180°时，可以触发1号晶闸管，1号晶闸管触发导通后，5号晶闸管将承受反压而截止，换相得以成功；
当控制角大于180°后，ac相的相对电位关系反过来了，将无法触发导通1号晶闸管。

若控制角180°≥α≥180°-γ（或α+γ≥180°），由于存在换相角γ，在换相过程的中途，相对电位已经发生变化，换相不能继续下去，导致换相失败；
若控制角180°≥α≥180°-γ-δmin（或α+γ+δmin≥180°），
由于晶闸管需要宽度不小于δmin的反向恢复时间，在5号晶闸管反向恢复尚未完成时，相对电位发生变化，a相电位已经小于c相电位，5号晶闸管重新承受正向电压而导通，导致换相失败；
再考虑到控制器和电源等的误差角θ,综合起来,逆变器防止逆变失败的必要条件是：
控制角α≤180°-γ-δ-θ，或αmax＝180°-γ-δ-θ
运行中应确保：α≤αmax。

一例换流站换相失败及晶闸管VBO动作情况分析换相失败保护，用于检测换流器的换相失败故障。

换相失败可能是由一种或多种故障，通常是由交流系统的扰动或换流阀未正常触发引起。

VBO保护，即晶闸管过压保护，用于保护晶闸管免受正向过电压，在晶闸管承受正向过电压前，由门极单元对晶闸管进行保护性触发。

以上保护用于直流换流站，保护换流器正常运行。

标签：换相失败保护;VBO保护;换流器一、概述2019年07月29日，某直流输电工程逆变侧换流站双极大地回线方式运行，输送功率4000MW。

06：00：47极Ⅰ、极ⅠⅠ直流保护A、B、C均报换相失败告警，36ms后告警复归，极Ⅰ阀11报VBO保护动作。

二、换相失败动作分析1.极Ⅰ换相失败说明查看06：00：47.283时刻极Ⅰ直流故障录波，极Ⅰ换相失败电流判据为：Y桥换相失败的判据为：Id–IacY>0.1*Idn+0.1*Id，其中Id= MAX[IdP，IdNC]。

由故障录波图1，直流测量电流最大值Id=IMAX[IdP，IdNC]约为4744A，IVY最大值为2250A，代入公式：4744-2250>0.1*4744+0.1*3030满足换相失败保护动作值;36ms后，Id=IMAX[IdP，IdNC]恢复至3093A（正常运行电流3030A），告警复归。

查阅交流侧故障录波图2，换相失败告警起、止时刻与直流故障录波一致。

换相失败告警发生时，换流变网侧电压三相均为311kV，交流电压无异常。

将极ⅠY桥阀侧首端电流波形图与正常运行时阀导通顺序图对比，极ⅠY 桥由阀1、阀2导通向阀2、阀3导通转换的过程中，阀3导通后，阀6 同时异常导通，造成同一桥臂上的阀3和阀6形成旁通對，直流侧短路，阀侧首端三相电流减小到0。

三、VBO保护动作分析06：00：46，极ⅠY桥阀6异常导通，使Y桥同一桥臂的阀3与阀6同时导通，形成旁通对。

极Ⅰ发生换相失败，极控系统会发命令增大熄弧角。