高压直流输电系统常见故障分析

梅宁 王艳秋

摘 要：高压直流输电技术因其线路造价低、运行损耗小、线路走廊窄、节能效果好等特点而广泛运用于远程电力传输，虽然我国已有不少高压直流输电系统的运行经验，但远未达到其应有经济性和可靠性，系统故障率较高。本文以±500kV高压直流输电为例对一些常见的故障进行了总结和分析，以期为相关领域提供有益的参考。

关键词：高压直流输电；±500kV；故障分析；换流器

1前言

±500kV高压直流输电线路是目前我国较常规的直流输电线路，在我国中短程电力传输中扮演着越来越重要的角色。高压直流输电技术虽然已发展多年，但远未达到成熟，其运行的可靠性和经济性仍然受到地理环境、社会环境、气象条件等复杂因素的影响，线路故障时有出现，对电网安全运行造成了较大的影响。因此，研究高压直流输电线路的常见运行故障，对于推动我国高压直流输电技术的发展十分必要。

2高压直流输电应用现状

早在上世纪50年代，高压直流输电技术就已经实现了商业化运行，在晶闸管问世后，换流站的性能发生了革命性的变化，成本也进一步降低，大大推动了高压直流输电技术的发展。我国在高压直流输电技术方面的首个重大应用是上海-葛洲坝±500kV高压直流输电线路的投运，该工程额定容量达1200MW，输送距离长达1080公里。随后，广州-天生桥、常州-三峡龙泉等一系列±500kV高压直流输电工程也相继成功投运，拉开了我国高压直流输电技术大发展的局面。

大量的应用证明，高压直流输电技术在功率传输特性、过负载能力、故障自愈、功率控制和高度管理等方面都比交流输电技术更加优秀，尤其适用于大功率远程输电、海底电缆输电和交流系统异步传输等特殊场合的应用。

3常见故障分析

高压直流输电系统主要由换流站、输电线路和接地极系统等部分组成，其中换流站是高压直流输电系统的核心组成部分之一，结构比较复杂，运行压力较大，因此常常成为故障的高发区域。

3.1外绝缘故障

某±500kV 直流输电系统的换流站出现污闪现象。高压直流输电系统中的换流站是指将为了完成交流电与直流电进行相互转换，以满足电力安全稳定及电能质量而建立的站点。换流站中的主要设备包括换流阀、变压器、电抗器、滤波器、各类开关设备和保护装置等，这些设备的绝缘装置一旦出现问题，就会造成爬电比距不足、复合绝缘憎水性下降、污闪等一系列故障。

当绝缘材料表面污秽，同时设计过程中对设备外绝缘的爬电比距设计不合理，就会直接造成绝缘材料的绝缘强度下降，当环境空气温度较大时就会出现持续爬电现象。如果绝缘表面受到静电影响，还会使灰尘积淀，在潮湿环境下形成导电薄膜，使绝缘表面的泄露电流异常增大，在电场力的作用下发生强烈的放电现象，因而造成污闪。主设备外绝缘爬电距离不足和污闪问题可以通过优化设计和技术改造来加以避免，例如增大爬距、在主设备外加装增爬裙或涂覆硫化硅橡胶。

3.2雷击故障

从目前的±500kV高压直流线路设计水平来看，输电线路的反击耐雷水平和接地电阻的质量都有了较大的进步，发生的雷击故障以雷电绕击为主，很少会出现雷电反击现象。从雷击故障极性的角度上看，由于自然界中雷电以负极性为主，且正极性侧具有明显的上行先导能力，因此雷击故障一般表现为正极性吸引雷击，负极性雷击并不多见。当出现雷击现象时，一般大檔距的高压直流线路比较容易跳闸，因此造成的故障概率也大大增加。

为了避免雷击造成的线路故障，可以根据线路走廊的雷电分布特征，采用防雷差异化技术，合理布设正极性导线位置，增加正极性侧绝缘子串干弧距离；在一些关键的线路节点，安装可控放电避雷装置，同时进一步减小杆塔接地电阻以提高其耐雷性能。另外，最近的试点应用表明，直流避雷器在±500KV高压直流线路上有较明显的避雷效果，在成本可控的前提下可考虑采用该技术。

3.3 换流阀短路故障

换流阀位于换流器的主回路中，换流阀短路表现为其两端都失去阻断能力。从换流阀的基本结构和原理出发，可以认为换流阀短路故障是由整流器短路或逆变器短路引起的。整流器在阻断期间通常会承受反向电压，当该反向电压异常增大时，就会出现逆弧的风险，进而导致瞬时反向导通，也就是发生了短路现象。整流器短路通常可以通过以下特殊来识别：直流母线电压大幅下降、阀臂反向电流大幅上升、交流侧伴随着两相短路或三相短路现象。当发现以上现象时，应首先考虑是否换流阀短路故障。逆变器与整流器不同，它在阻断期间一般承受正向电压，如果电压值异常增大，就很可能会因阀臂绝缘层受损而发生短路。

3.4 逆变器换相失败

换相失败是逆变器的常见故障之一，它是指两个阀臂在换相时电流未按预定的阀臂进行切换的故障现象。从大量的实践来看，可能造成换相的原因有很多，但最常见的通常为逆变侧换流阀短路、交流联接异常、交流电压突变、逆变角不够大、触发脉冲异常等原因。触发脉冲是引导换相阀进行换相动作的重要信号，一旦触发脉冲丢失或出现异常，换相自然不会顺利进行。交流联接故障时可能导致交流欠压，换流器熄弧角减小，进行造成前阀不能及时动作阻断而在正压作用下继续导通。换相失败通常也伴随着一些常见的特征，例如电流中的工频分量大于整定值，熄弧角小于预设值，换流变压器出现偏磁，直流系统中检测到基波成分等等。当判定系统出现换相失败故障时，可以采取低压限流控制、增加换流阀触发角及其脉冲等措施来解决。

4结论与展望

直流输电技术仍在不断的发展中，随着相关基础理论和无器件工艺的进步，高压直流输电系统的换流站建设成本正在不断下降，交、直流输电技术的经济平衡点已缩短到700公里。未来几十年内，人们在不断完善直流输电技术的同时，也将新的目光转向更先进的轻型直流输电技术，通过新型晶闸管构建换流站，进一步提高直流输电技术的经济性。

参考文献：

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作者简介：

梅宁（1982-），男，湖北宜昌，研究生，硕士，高级工程师。