交直流系統(tǒng)中換流變閥側(cè)故障誘發(fā)涌流的機理解析與影響探究一、引言1.1研究背景與意義隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，電力需求持續(xù)增長，推動著電力系統(tǒng)不斷向更高電壓等級、更大容量方向發(fā)展。在眾多輸電技術(shù)中，交直流輸電憑借其獨特優(yōu)勢，在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中占據(jù)了舉足輕重的地位。特高壓直流輸電技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)大容量、遠距離的電能傳輸，有效解決能源資源與負荷中心分布不均衡的問題；柔性直流輸電技術(shù)則具有運行方式靈活、能夠獨立控制有功和無功功率、無換相失敗風(fēng)險等優(yōu)點，在城市電網(wǎng)供電、海上風(fēng)電并網(wǎng)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。換流變作為交直流系統(tǒng)中連接交流側(cè)和直流側(cè)的核心設(shè)備，其運行可靠性直接關(guān)系到整個交直流系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。換流變閥側(cè)與換流器相連，運行環(huán)境復(fù)雜，受到高電壓、大電流以及諧波等多種因素的影響，使得閥側(cè)發(fā)生故障的概率相對較高。一旦換流變閥側(cè)發(fā)生故障，可能會誘發(fā)涌流現(xiàn)象。換流變閥側(cè)故障誘發(fā)的涌流具有幅值大、諧波含量豐富、持續(xù)時間長等特點，這些特性會對交直流系統(tǒng)的運行產(chǎn)生多方面的危害。從系統(tǒng)穩(wěn)定性角度來看，涌流可能導(dǎo)致系統(tǒng)電壓大幅波動，破壞系統(tǒng)的無功平衡，甚至引發(fā)系統(tǒng)振蕩，威脅系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。例如，在某些特高壓直流輸電工程中，換流變閥側(cè)故障涌流導(dǎo)致附近交流母線電壓瞬間跌落超過10%，嚴重影響了周邊電力設(shè)備的正常運行。從電力設(shè)備角度而言，涌流會使換流變鐵芯飽和，引起鐵芯損耗增加、局部過熱，加速絕緣老化，縮短設(shè)備使用壽命；同時，涌流中的諧波還會對其他電氣設(shè)備如電容器、電抗器等造成損壞，影響設(shè)備的正常工作性能。在一些實際案例中，由于涌流的作用，換流變內(nèi)部繞組出現(xiàn)過熱燒毀的情況，造成了巨大的經(jīng)濟損失和停電事故。此外，涌流還會對繼電保護裝置產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致保護誤動作或拒動。目前，大多數(shù)繼電保護裝置是基于正常運行工況下的電氣量特征進行設(shè)計的，當(dāng)涌流出現(xiàn)時，其復(fù)雜的電氣量變化可能使保護裝置無法準確判斷故障類型和范圍，從而發(fā)出錯誤的動作信號。這不僅會影響故障的及時切除，還可能引發(fā)事故的擴大，進一步降低系統(tǒng)的可靠性。綜上所述，深入研究交直流系統(tǒng)換流變閥側(cè)故障誘發(fā)涌流的機理及其影響具有重要的現(xiàn)實意義。通過揭示涌流的產(chǎn)生機制，可以為涌流的預(yù)測和預(yù)防提供理論依據(jù)；分析涌流對交直流系統(tǒng)的影響，有助于制定針對性的應(yīng)對措施，提高系統(tǒng)的抗干擾能力和運行可靠性，保障電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀近年來，隨著交直流輸電工程的大規(guī)模建設(shè)和投運，換流變閥側(cè)故障及其誘發(fā)涌流問題受到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，相關(guān)研究取得了一定成果。在換流變閥側(cè)故障類型及特性研究方面，學(xué)者們通過理論分析、仿真計算和實際工程案例分析，對常見的閥側(cè)故障類型，如單相接地故障、相間短路故障等進行了深入研究。研究發(fā)現(xiàn)，不同故障類型具有不同的故障電流特征和電壓變化規(guī)律。例如，單相接地故障時，故障相電流會出現(xiàn)大幅增加，且含有較大的直流分量；相間短路故障時，短路電流幅值更大，三相電流的對稱性遭到破壞。文獻[7-10]詳細分析了換流變閥側(cè)單相接地故障后的故障特征，故障后上橋臂子模塊將產(chǎn)生過電壓，下橋臂將產(chǎn)生嚴重過電流，閥側(cè)電流含有很大的直流分量并持續(xù)流向換流變，同時網(wǎng)側(cè)交流斷路器無法正常開斷。對于換流變閥側(cè)故障誘發(fā)涌流的機理，國內(nèi)外學(xué)者從多個角度進行了探討。其中，基于磁鏈變化的分析方法被廣泛應(yīng)用。當(dāng)換流變閥側(cè)發(fā)生故障時，由于故障電流的直流分量作用，會導(dǎo)致鐵芯磁鏈發(fā)生偏移，鐵芯進入飽和狀態(tài)，從而產(chǎn)生涌流。以特高壓換流變閥側(cè)單相接地故障為例，故障電流中的直流分量使鐵芯產(chǎn)生偏置磁通，導(dǎo)致鐵芯飽和，進而引發(fā)故障性涌流。在MMC-HVDC系統(tǒng)中，換流變閥側(cè)單相接地故障后，閥側(cè)直流分量持續(xù)流向換流變壓器而導(dǎo)致鐵芯飽和，產(chǎn)生故障性涌流；之后保護跳開閥側(cè)斷路器，由于故障性涌流階段的磁鏈積累，鐵芯中含有大量剩磁并在閥側(cè)斷路器跳開后產(chǎn)生恢復(fù)性涌流，從而導(dǎo)致復(fù)雜性涌流現(xiàn)象。在涌流對交直流系統(tǒng)的影響研究方面，主要集中在對系統(tǒng)穩(wěn)定性、電力設(shè)備以及繼電保護裝置的影響。涌流會導(dǎo)致系統(tǒng)電壓波動，影響系統(tǒng)的無功平衡，威脅系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行；會使換流變鐵芯飽和，增加鐵芯損耗和局部過熱，縮短設(shè)備使用壽命，還可能損壞其他電氣設(shè)備；會干擾繼電保護裝置的正常工作，導(dǎo)致保護誤動作或拒動。有研究指出，和應(yīng)涌流二次諧波含量較大，可能導(dǎo)致LCC1換流變匝間故障時差動保護延遲動作甚至拒動。然而，當(dāng)前研究仍存在一些不足之處。在故障類型研究方面，對于一些特殊故障類型或復(fù)雜故障組合的研究還不夠深入，實際運行中可能出現(xiàn)的一些罕見故障情況尚未得到充分關(guān)注。在涌流機理研究方面，雖然已經(jīng)取得了一定成果，但對于不同運行工況和系統(tǒng)參數(shù)下涌流的特性變化規(guī)律，還需要進一步深入分析，以提高對涌流現(xiàn)象的全面認識。在涌流影響研究方面，雖然已經(jīng)明確了涌流對系統(tǒng)各方面的影響，但對于如何定量評估涌流的影響程度，以及在多種因素耦合作用下涌流影響的綜合分析，還缺乏有效的方法和模型。現(xiàn)有研究中針對混合級聯(lián)直流輸電系統(tǒng)中換流變閥側(cè)故障特性及和應(yīng)涌流的研究相對較少，系統(tǒng)逆變側(cè)LCC與MMC間復(fù)雜的電氣耦合關(guān)系給故障分析帶來了挑戰(zhàn)，相關(guān)研究有待進一步加強。1.3研究內(nèi)容與方法1.3.1研究內(nèi)容本研究將圍繞交直流系統(tǒng)換流變閥側(cè)故障誘發(fā)涌流的機理及其影響展開，具體內(nèi)容如下：換流變閥側(cè)故障類型及特性分析：全面梳理交直流系統(tǒng)中換流變閥側(cè)可能出現(xiàn)的各種故障類型，包括單相接地故障、相間短路故障、匝間短路故障等。運用電路理論、電磁學(xué)原理等知識，深入分析不同故障類型下的故障電流、電壓特性，以及故障發(fā)展過程中的暫態(tài)電氣量變化規(guī)律。結(jié)合實際工程案例，對各類故障特性進行驗證和總結(jié)，為后續(xù)涌流機理研究提供基礎(chǔ)。換流變閥側(cè)故障誘發(fā)涌流的機理研究：基于磁鏈變化、鐵芯飽和等理論，從故障電流直流分量對鐵芯磁鏈的影響入手，推導(dǎo)換流變閥側(cè)故障誘發(fā)涌流的數(shù)學(xué)模型和物理過程。分析不同故障類型、故障時刻、系統(tǒng)運行工況等因素對涌流特性的影響，如涌流幅值、諧波含量、衰減時間等。研究換流變參數(shù)（如鐵芯材質(zhì)、繞組匝數(shù)等）與涌流特性之間的關(guān)系，揭示涌流產(chǎn)生的內(nèi)在機制。涌流對交直流系統(tǒng)的影響研究：從系統(tǒng)穩(wěn)定性、電力設(shè)備和繼電保護裝置三個方面，深入研究涌流對交直流系統(tǒng)的影響。在系統(tǒng)穩(wěn)定性方面，分析涌流引起的系統(tǒng)電壓波動、無功功率變化、功率振蕩等問題，評估涌流對系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定和動態(tài)穩(wěn)定的影響程度。對于電力設(shè)備，研究涌流導(dǎo)致的換流變鐵芯飽和、繞組過熱、絕緣老化等問題，以及對其他電氣設(shè)備（如電容器、電抗器、斷路器等）的損壞機理。在繼電保護裝置方面，探討涌流對保護裝置測量精度、動作特性的干擾，分析保護誤動作或拒動的原因和后果。涌流抑制措施的研究：針對換流變閥側(cè)故障誘發(fā)涌流對交直流系統(tǒng)的危害，提出有效的涌流抑制措施。從換流變設(shè)計優(yōu)化、控制策略改進和外部附加裝置等方面入手，研究抑制涌流的方法和技術(shù)。例如，通過優(yōu)化換流變鐵芯結(jié)構(gòu)和材質(zhì)，降低鐵芯飽和程度；改進換流器控制策略，減少故障電流中的直流分量；在系統(tǒng)中安裝涌流抑制電抗器、阻尼裝置等外部設(shè)備，限制涌流的幅值和傳播范圍。對提出的涌流抑制措施進行仿真分析和實驗驗證，評估其抑制效果和可行性。1.3.2研究方法為了深入開展本課題的研究，將綜合運用以下研究方法：理論分析：運用電力系統(tǒng)分析、電磁學(xué)、電路原理等相關(guān)理論知識，對換流變閥側(cè)故障類型、涌流機理以及涌流對交直流系統(tǒng)的影響進行深入的理論推導(dǎo)和分析。建立數(shù)學(xué)模型，通過數(shù)學(xué)計算和邏輯推理，揭示故障特性和涌流產(chǎn)生、傳播的內(nèi)在規(guī)律。例如，利用磁鏈守恒定律和鐵芯磁化曲線，推導(dǎo)換流變閥側(cè)故障時鐵芯磁鏈的變化過程，進而分析涌流的產(chǎn)生機制。案例研究：收集國內(nèi)外交直流輸電工程中換流變閥側(cè)故障的實際案例，對故障發(fā)生的背景、過程、處理措施以及造成的影響進行詳細分析。通過案例研究，總結(jié)實際工程中故障的特點和規(guī)律，驗證理論分析的正確性，為研究提供實際依據(jù)。例如，對某特高壓直流輸電工程中換流變閥側(cè)單相接地故障誘發(fā)涌流導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩的案例進行深入剖析，分析故障原因和涌流對系統(tǒng)的影響。仿真模擬：利用專業(yè)的電力系統(tǒng)仿真軟件，如PSCAD/EMTDC、MATLAB/Simulink等，搭建交直流系統(tǒng)模型，模擬換流變閥側(cè)故障場景，研究涌流的產(chǎn)生和傳播過程。通過仿真分析，直觀地觀察涌流的特性和變化規(guī)律，以及涌流對系統(tǒng)各部分的影響。對不同故障類型、系統(tǒng)參數(shù)和運行工況進行仿真計算，獲取大量的數(shù)據(jù)，為理論分析和涌流抑制措施的研究提供數(shù)據(jù)支持。例如，在PSCAD/EMTDC中搭建MMC-HVDC系統(tǒng)模型，模擬換流變閥側(cè)單相接地故障，分析涌流的幅值、諧波含量等特性。二、交直流系統(tǒng)與換流變概述2.1交直流系統(tǒng)的構(gòu)成與運行原理交直流系統(tǒng)是一個復(fù)雜的電力傳輸網(wǎng)絡(luò)，主要由交流輸電線路、換流站、直流輸電線路等部分構(gòu)成。交流輸電線路是電力系統(tǒng)中用于傳輸交流電的部分，通常采用三相交流輸電方式。其主要作用是將發(fā)電廠發(fā)出的電能，通過升壓變壓器升高電壓后，傳輸?shù)礁鱾€負荷中心或換流站。交流輸電線路的結(jié)構(gòu)包括導(dǎo)線、避雷線、絕緣子、桿塔等部分。導(dǎo)線是傳輸電能的載體，避雷線用于防止線路遭受雷擊，絕緣子用于支撐導(dǎo)線并使其與桿塔絕緣，桿塔則用于支撐導(dǎo)線和避雷線。以我國的特高壓交流輸電線路為例，如1000kV特高壓交流輸電線路，其導(dǎo)線通常采用多分裂導(dǎo)線，以提高輸電能力和降低線路損耗。避雷線采用良導(dǎo)體避雷線，以增強防雷效果。絕緣子采用高強度的瓷絕緣子或復(fù)合絕緣子，以保證線路的絕緣性能。桿塔采用鋼結(jié)構(gòu)或混凝土結(jié)構(gòu)，以滿足線路的機械強度要求。換流站是交直流系統(tǒng)的核心部分，其主要功能是實現(xiàn)交流電與直流電之間的相互轉(zhuǎn)換。換流站通常由換流器、換流變、平波電抗器、交流濾波器、直流濾波器等設(shè)備組成。換流器是換流站的關(guān)鍵設(shè)備，它通過電力電子器件的通斷控制，將交流電轉(zhuǎn)換為直流電（整流）或?qū)⒅绷麟娹D(zhuǎn)換為交流電（逆變）。目前常用的換流器有晶閘管換流器（LCC）和模塊化多電平換流器（MMC）。LCC換流器利用晶閘管的單向?qū)щ娦裕ㄟ^控制晶閘管的觸發(fā)角來實現(xiàn)交流電與直流電的轉(zhuǎn)換。其優(yōu)點是技術(shù)成熟、容量大，但存在換相失敗、諧波含量高等問題。MMC換流器則由多個子模塊組成，通過對子模塊的控制實現(xiàn)交流電與直流電的轉(zhuǎn)換。它具有輸出波形質(zhì)量好、諧波含量低、不存在換相失敗等優(yōu)點，在柔性直流輸電中得到了廣泛應(yīng)用。換流變是換流站中連接交流系統(tǒng)和換流器的重要設(shè)備，它的作用是實現(xiàn)電壓變換、功率傳輸和電氣隔離，具體內(nèi)容將在2.2節(jié)展開詳細介紹。平波電抗器主要用于平滑直流電流，減小直流電流的波動，抑制諧波，提高直流輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。交流濾波器用于濾除換流器產(chǎn)生的交流側(cè)諧波，保證交流系統(tǒng)的電能質(zhì)量。直流濾波器則用于濾除直流側(cè)的諧波，防止諧波對直流輸電線路和其他設(shè)備造成影響。直流輸電線路用于傳輸直流電，它由導(dǎo)線、絕緣子、桿塔等部分組成，與交流輸電線路類似，但在設(shè)計和運行上有一些區(qū)別。直流輸電線路的導(dǎo)線通常采用單極或雙極結(jié)構(gòu)，單極線路只有一根導(dǎo)線，利用大地或海水作為回流路徑；雙極線路則有兩根導(dǎo)線，分別為正極和負極，正常運行時兩極導(dǎo)線同時傳輸電流，當(dāng)一極發(fā)生故障時，另一極可通過大地或海水作為回流路徑繼續(xù)運行。以我國的特高壓直流輸電線路為例，如±800kV特高壓直流輸電線路，采用雙極結(jié)構(gòu)，導(dǎo)線采用大截面的鋼芯鋁絞線，以提高輸電能力。絕緣子采用特殊設(shè)計的直流絕緣子，以適應(yīng)直流電場的特點。桿塔采用高強度的鋼結(jié)構(gòu)，以承受線路的張力和風(fēng)力。交直流系統(tǒng)的運行原理基于交流電和直流電的特性以及電力電子技術(shù)。在整流站，換流器將交流系統(tǒng)的交流電轉(zhuǎn)換為直流電，通過直流輸電線路傳輸?shù)侥孀冋尽Ｔ谀孀冋荆瑩Q流器再將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，接入交流系統(tǒng)。以一個簡單的交直流輸電系統(tǒng)為例，假設(shè)交流系統(tǒng)的電壓為220kV，頻率為50Hz。在整流站，換流器通過控制晶閘管的觸發(fā)角，將220kV的交流電轉(zhuǎn)換為±500kV的直流電。然后，直流電通過直流輸電線路傳輸?shù)侥孀冋尽Ｔ谀孀冋荆瑩Q流器通過控制晶閘管的觸發(fā)角，將±500kV的直流電轉(zhuǎn)換為220kV的交流電，接入當(dāng)?shù)氐慕涣飨到y(tǒng)。在這個過程中，換流變起到了電壓變換和電氣隔離的作用，平波電抗器、交流濾波器和直流濾波器則保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和電能質(zhì)量。在實際運行中，交直流系統(tǒng)需要根據(jù)電力需求、電網(wǎng)運行狀態(tài)等因素進行靈活控制。通過調(diào)節(jié)換流器的觸發(fā)角、換流變的分接頭等參數(shù)，可以實現(xiàn)對直流輸電功率、交流系統(tǒng)電壓和無功功率的控制。當(dāng)交流系統(tǒng)負荷增加時，通過增大換流器的觸發(fā)角，增加直流輸電功率，向交流系統(tǒng)輸送更多的電能；同時，調(diào)節(jié)換流變的分接頭，提高交流系統(tǒng)的電壓，以滿足負荷的需求。通過這些控制手段，交直流系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高效、穩(wěn)定的電力傳輸，為現(xiàn)代社會的發(fā)展提供可靠的能源保障。2.2換流變在交直流系統(tǒng)中的作用與地位換流變作為交直流系統(tǒng)中連接交流系統(tǒng)和換流橋的關(guān)鍵設(shè)備，對交直流系統(tǒng)的穩(wěn)定運行起著舉足輕重的作用，是交直流輸電系統(tǒng)的核心組成部分之一。其主要作用體現(xiàn)在以下幾個方面：電壓變換：換流變能夠?qū)⒔涣飨到y(tǒng)的電壓轉(zhuǎn)換為適合換流橋工作的電壓等級。在整流站，它將交流電網(wǎng)的高電壓降低到換流器所需的電壓水平，為換流器提供合適的交流輸入電壓；在逆變站，則將換流器輸出的直流電壓轉(zhuǎn)換為符合交流電網(wǎng)要求的電壓，實現(xiàn)與交流系統(tǒng)的連接。以某±800kV特高壓直流輸電工程為例，換流變將交流系統(tǒng)的500kV電壓降低為換流器所需的合適電壓，確保換流器能夠正常工作，實現(xiàn)高效的電能轉(zhuǎn)換。這種電壓變換功能，使得交直流系統(tǒng)能夠在不同電壓等級下協(xié)同工作，提高了輸電系統(tǒng)的靈活性和適應(yīng)性，滿足了不同地區(qū)、不同用戶對電力的需求。功率傳輸：換流變承擔(dān)著在交流系統(tǒng)和換流橋之間傳輸功率的重要任務(wù)。在整流過程中，它將交流系統(tǒng)的功率傳輸?shù)綋Q流橋，為直流輸電提供能量；在逆變過程中，又將換流橋輸出的功率傳輸回交流系統(tǒng)，實現(xiàn)電能的有效分配。在一個典型的交直流混合輸電系統(tǒng)中，換流變能夠穩(wěn)定地將大量的功率從發(fā)電側(cè)傳輸?shù)截摵蓚?cè)，保障了電力的可靠供應(yīng)。通過高效的功率傳輸，換流變確保了交直流系統(tǒng)的能量平衡，維持了系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，使得電力能夠從能源豐富的地區(qū)輸送到電力需求大的地區(qū)，優(yōu)化了能源資源的配置。電氣隔離：換流變實現(xiàn)了交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)之間的電氣隔離，有效降低了交流側(cè)過電壓對直流系統(tǒng)的影響，提高了系統(tǒng)的安全性和可靠性。當(dāng)交流系統(tǒng)出現(xiàn)過電壓等異常情況時，換流變的電氣隔離作用可以防止過電壓直接侵入直流系統(tǒng)，保護直流設(shè)備免受損壞。在實際運行中，當(dāng)交流系統(tǒng)遭受雷擊或發(fā)生短路故障導(dǎo)致電壓瞬間升高時，換流變能夠阻擋過電壓的傳遞，保護換流橋和直流輸電線路的安全，確保直流系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，減少了事故的發(fā)生概率和影響范圍。諧波抑制：換流變在運行過程中，能夠通過自身的結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)計，對換流器產(chǎn)生的諧波電流起到一定的抑制作用。它提供的12脈波交流電壓相位差為30°，有助于減少交流側(cè)的諧波電流，特別是5次和7次諧波電流。通過抑制諧波，換流變提高了交流系統(tǒng)的電能質(zhì)量，降低了諧波對其他電氣設(shè)備的干擾，保證了電力系統(tǒng)中各種設(shè)備的正常運行，減少了因諧波問題導(dǎo)致的設(shè)備損壞和故障，提高了整個交直流系統(tǒng)的運行效率和可靠性。換流變在交直流系統(tǒng)中處于核心地位，其運行狀態(tài)直接影響著交直流系統(tǒng)的性能和可靠性。一旦換流變發(fā)生故障，可能導(dǎo)致整個交直流系統(tǒng)的運行異常，甚至引發(fā)停電事故，造成巨大的經(jīng)濟損失和社會影響。因此，確保換流變的可靠運行對于交直流系統(tǒng)的穩(wěn)定運行至關(guān)重要。在實際工程中，需要對換流變進行嚴格的設(shè)計、制造、安裝、調(diào)試和維護，采用先進的監(jiān)測技術(shù)和保護措施，及時發(fā)現(xiàn)和處理換流變的潛在問題，以保障交直流系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運行。2.3換流變閥側(cè)的結(jié)構(gòu)與電氣特性換流變閥側(cè)的結(jié)構(gòu)與電氣特性是理解其工作原理和分析故障誘發(fā)涌流機理的重要基礎(chǔ)。換流變閥側(cè)主要由繞組、鐵芯、套管等部分組成，各部分協(xié)同工作，確保換流變的正常運行。繞組是換流變閥側(cè)的重要組成部分，其結(jié)構(gòu)和設(shè)計對換流變的性能有著關(guān)鍵影響。換流變閥側(cè)繞組通常采用同心式結(jié)構(gòu)，分為高壓繞組和低壓繞組。高壓繞組匝數(shù)較多，導(dǎo)線較細；低壓繞組匝數(shù)較少，導(dǎo)線較粗。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠滿足換流變在不同電壓等級下的工作需求，實現(xiàn)高效的電壓變換。在±800kV特高壓直流輸電工程的換流變中，閥側(cè)繞組采用了特殊的換位技術(shù)，如自粘性換位導(dǎo)線和糾結(jié)式繞組結(jié)構(gòu)，以降低繞組的環(huán)流損耗和局部過熱問題。通過優(yōu)化繞組的換位方式，能夠使繞組中的電流分布更加均勻，減少因電流不均勻引起的損耗和發(fā)熱，提高換流變的運行效率和可靠性。鐵芯作為換流變的磁路部分，對電磁能量的轉(zhuǎn)換起著核心作用。換流變閥側(cè)鐵芯一般采用優(yōu)質(zhì)的硅鋼片疊制而成，具有高磁導(dǎo)率和低磁滯損耗的特點。硅鋼片的表面通常涂有絕緣漆，以減少鐵芯中的渦流損耗。鐵芯的結(jié)構(gòu)形式有單相雙柱式、三相三柱式等，不同的結(jié)構(gòu)形式適用于不同的應(yīng)用場景。在大型換流變中，常采用三相五柱式鐵芯結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)能夠有效降低鐵芯的零序阻抗，提高換流變的抗短路能力。通過合理設(shè)計鐵芯的截面積和磁導(dǎo)率，能夠確保鐵芯在正常運行和故障情況下都能保持良好的磁性能，為換流變的穩(wěn)定運行提供保障。套管是換流變閥側(cè)與外部電路連接的重要部件，它起到絕緣和支撐導(dǎo)電桿的作用。換流變閥側(cè)套管通常采用電容式結(jié)構(gòu)，由導(dǎo)電桿、電容芯子、絕緣介質(zhì)和外部瓷套等部分組成。電容芯子采用多層電容屏結(jié)構(gòu)，通過合理配置電容屏的參數(shù)，能夠使電場分布更加均勻，提高套管的絕緣性能。絕緣介質(zhì)一般采用油紙絕緣或膠浸紙絕緣，具有良好的電氣性能和機械性能。在特高壓換流變閥側(cè)套管中，為了滿足高電壓、大容量的運行要求，采用了油浸紙電容式套管，并在結(jié)構(gòu)設(shè)計上進行了優(yōu)化，如增加均壓環(huán)的數(shù)量和優(yōu)化其形狀，以進一步改善電場分布，提高套管的絕緣可靠性。換流變閥側(cè)的電氣特性主要包括阻抗、電壓比、空載電流和短路損耗等參數(shù)，這些參數(shù)直接影響著換流變的運行性能和故障特性。阻抗是換流變閥側(cè)的重要電氣參數(shù)之一，它反映了換流變對電流變化的阻礙能力。換流變閥側(cè)阻抗包括漏電抗和電阻，其中漏電抗是主要部分。漏電抗的大小與繞組的匝數(shù)、鐵芯的磁導(dǎo)率以及繞組之間的距離等因素有關(guān)。換流變閥側(cè)阻抗的存在，使得在故障發(fā)生時，能夠限制故障電流的大小，保護換流變和其他設(shè)備免受過大電流的沖擊。在換流變閥側(cè)發(fā)生短路故障時，阻抗能夠起到限流作用，減緩故障電流的上升速度，為繼電保護裝置的動作提供時間。電壓比是換流變閥側(cè)的另一個重要電氣參數(shù)，它定義為閥側(cè)繞組的額定電壓與網(wǎng)側(cè)繞組的額定電壓之比。電壓比的準確設(shè)定對于實現(xiàn)交流電與直流電之間的有效轉(zhuǎn)換至關(guān)重要。在換流變的設(shè)計和運行過程中，需要根據(jù)實際需求精確調(diào)整電壓比，以確保換流器能夠在合適的電壓條件下工作。在某特高壓直流輸電工程中，通過精確計算和調(diào)整換流變閥側(cè)的電壓比，使得換流器能夠穩(wěn)定地將交流系統(tǒng)的電壓轉(zhuǎn)換為適合直流輸電的電壓，保證了系統(tǒng)的高效運行。空載電流是指換流變在空載運行時，流入閥側(cè)繞組的電流。空載電流主要用于建立鐵芯的磁場，其大小與鐵芯的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)以及磁導(dǎo)率等因素有關(guān)。一般來說，空載電流較小，通常為額定電流的百分之幾。然而，當(dāng)鐵芯出現(xiàn)飽和等異常情況時，空載電流會顯著增大。在換流變閥側(cè)故障誘發(fā)涌流的過程中，鐵芯飽和會導(dǎo)致空載電流急劇增加，從而影響換流變的正常運行。短路損耗是指換流變在短路試驗時，繞組中產(chǎn)生的有功功率損耗。短路損耗主要由繞組的電阻損耗和漏磁引起的雜散損耗組成。短路損耗的大小反映了換流變在短路情況下的能量消耗和發(fā)熱情況。在設(shè)計和選擇換流變時，需要考慮短路損耗的因素，以確保換流變在故障情況下具有良好的熱穩(wěn)定性。對于大容量的換流變，通過優(yōu)化繞組的結(jié)構(gòu)和材料，降低短路損耗，能夠提高換流變的運行效率和可靠性。換流變閥側(cè)的結(jié)構(gòu)和電氣特性相互關(guān)聯(lián)，共同影響著換流變的運行性能和故障特性。深入了解換流變閥側(cè)的結(jié)構(gòu)與電氣特性，對于研究換流變閥側(cè)故障誘發(fā)涌流的機理及其影響具有重要意義。三、換流變閥側(cè)故障類型及特征分析3.1三相短路故障3.1.1故障發(fā)生過程與電流通路分析三相短路故障是換流變閥側(cè)較為嚴重的故障類型之一，其發(fā)生過程涉及復(fù)雜的電氣變化和電流通路的改變。在分析三相短路故障時，需要考慮不同橋臂導(dǎo)通狀態(tài)下的電流通路情況，這對于深入理解故障特性和后續(xù)的涌流分析至關(guān)重要。以一相上橋臂導(dǎo)通狀態(tài)為例，假設(shè)a相上橋臂導(dǎo)通，bc相下橋臂導(dǎo)通，此時換流變閥側(cè)繞組發(fā)生三相短路。系統(tǒng)側(cè)交流電壓在換流變二次側(cè)繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電流，由于故障點的存在，電流經(jīng)故障點入地，且不經(jīng)閥側(cè)電流互感器。主要考慮直流側(cè)放電對換流變二次繞組和閥的影響，流經(jīng)正極等效電動勢電流及正極電容放電電流在p點匯合，經(jīng)VT1、a相換相電感及CTa到達故障點；故障點電流經(jīng)bc相換相電感和VT2、VT6到達n點后，分流為負極等效電動勢電流及負極電容放電電流且分別入地。這種情況下，故障電流的流通路徑較為復(fù)雜，涉及到直流側(cè)電容的放電以及換相電感的作用，會對換流變和換流閥產(chǎn)生較大的沖擊。當(dāng)處于兩相上橋臂導(dǎo)通狀態(tài)時，例如ab相接通上橋臂閥，c相接通下橋臂閥，二次側(cè)電流流通路徑更為復(fù)雜。故障電流的方程和求解類似于一相接正極故障分析，故障后電容電壓UC1是兩項衰減非周期分量和，a、b相閥側(cè)電流互感器檢測到的電流iCTa、iCTb包含兩項衰減非周期分量和直流分量，其衰減系數(shù)與UC1相同。負極電容電壓UC2是兩項振蕩衰減分量和，c相閥側(cè)電流互感器檢測到的電流iCTc包括直流分量及兩項振蕩衰減分量，其衰減系數(shù)及振蕩頻率與UC2相同。在這種導(dǎo)通狀態(tài)下，不同相的電流特性存在差異，反映了故障電流在不同路徑上的分布和變化情況。在三相導(dǎo)通橋臂相同的狀態(tài)下，以三相均導(dǎo)通上橋臂閥時發(fā)生三相短路為例，故障后正極電容電壓UC1同樣是兩項衰減非周期分量和，CTa、CTb、CTc檢測到的電流iCTa、iCTb、iCTc包含衰減非周期分量和直流分量，且衰減系數(shù)與UC1相同。三相短路發(fā)生后直到閉鎖前，閥會根據(jù)調(diào)制信號切換到不同導(dǎo)通狀態(tài)，故障回路及電流會相應(yīng)改變。這表明在三相導(dǎo)通橋臂相同的情況下，故障電流的特性在閥的切換過程中會發(fā)生動態(tài)變化，進一步增加了故障分析的復(fù)雜性。不同橋臂導(dǎo)通狀態(tài)下，換流變閥側(cè)三相短路故障的電流通路和變化情況各不相同，這些差異直接影響了故障電流的特性和后續(xù)涌流的產(chǎn)生機制。深入分析這些情況，有助于準確把握三相短路故障的本質(zhì)，為后續(xù)的涌流研究和故障處理提供有力的理論支持。3.1.2故障特征與對系統(tǒng)的影響三相短路故障具有一系列獨特的特征，這些特征對交直流系統(tǒng)的運行產(chǎn)生了多方面的影響。從故障特征來看，換流變閥側(cè)繞組發(fā)生三相短路到閉鎖前，流經(jīng)閥側(cè)電流互感器的暫態(tài)電流成分以衰減非周期分量及振蕩衰減分量為主，不含基波。這是因為在故障初期，直流側(cè)電容的放電以及電路中電感、電阻的作用，使得電流呈現(xiàn)出復(fù)雜的暫態(tài)特性。隨著時間的推移，這些非周期分量和振蕩衰減分量逐漸衰減。在某換流變閥側(cè)三相短路故障案例中，通過對故障錄波數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)故障發(fā)生后的前幾十毫秒內(nèi)，閥側(cè)電流互感器檢測到的電流主要由衰減非周期分量和振蕩衰減分量組成，其幅值和頻率隨時間不斷變化，與理論分析結(jié)果相符。發(fā)生短路時，流經(jīng)換流閥電流迅速增加，導(dǎo)致閥閉鎖。這是由于短路故障使得電路中的電流急劇增大，超出了換流閥的承受能力，為了保護換流閥，控制系統(tǒng)會迅速采取閉鎖措施。因正極端p點電位及故障點a、b和c的零電位，反并聯(lián)二極管無法導(dǎo)通，所以閥側(cè)互感器無電流通過。在實際運行中，一旦換流閥閉鎖，整個換流過程將被迫中斷，直流輸電系統(tǒng)的功率傳輸也會受到影響，可能導(dǎo)致系統(tǒng)電壓和頻率的波動。閉鎖前后，換流變系統(tǒng)側(cè)電流互感器測量的電流幅值迅速增大，以交流基波為主。這是因為在故障發(fā)生后，系統(tǒng)為了維持功率平衡，會通過調(diào)整電源的輸出，使得交流側(cè)電流迅速增大。由于交流系統(tǒng)的慣性和電感、電容的作用，電流以交流基波為主。在某交直流系統(tǒng)中，當(dāng)換流變閥側(cè)發(fā)生三相短路故障時，系統(tǒng)側(cè)電流互感器測量的電流幅值在短時間內(nèi)迅速上升，達到正常運行時的數(shù)倍，且主要成分是交流基波，對系統(tǒng)的電氣設(shè)備造成了極大的沖擊。短路后，只要閥未閉鎖，暫態(tài)過程在不同導(dǎo)通下來回切換，電流成分仍包括直流、衰減非周期、振蕩衰減分量。因各狀態(tài)持續(xù)時間不重復(fù)且末態(tài)不同，電流成分系數(shù)在不同導(dǎo)通階段不同。這種復(fù)雜的電流變化特性，使得故障的分析和處理變得更加困難，需要綜合考慮多種因素。三相短路故障對交直流系統(tǒng)的影響是多方面的。在系統(tǒng)穩(wěn)定性方面，故障會導(dǎo)致系統(tǒng)電壓大幅波動，破壞系統(tǒng)的無功平衡，可能引發(fā)系統(tǒng)振蕩，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。當(dāng)換流變閥側(cè)發(fā)生三相短路故障時，系統(tǒng)電壓會瞬間下降，導(dǎo)致系統(tǒng)無功功率需求急劇增加，如果系統(tǒng)無法及時提供足夠的無功支持，就會引發(fā)電壓崩潰，進而影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在電力設(shè)備方面，短路電流的大幅增加會使換流變和其他電氣設(shè)備承受巨大的電動力和熱應(yīng)力，可能導(dǎo)致設(shè)備損壞，縮短設(shè)備使用壽命。在某特高壓直流輸電工程中，因換流變閥側(cè)三相短路故障，導(dǎo)致?lián)Q流變繞組變形，絕緣損壞，需要進行長時間的維修和更換，給工程帶來了巨大的經(jīng)濟損失。換流變閥側(cè)三相短路故障具有復(fù)雜的故障特征，對交直流系統(tǒng)的穩(wěn)定性和電力設(shè)備的安全運行構(gòu)成了嚴重威脅。深入了解這些故障特征和影響，對于提高交直流系統(tǒng)的可靠性和安全性具有重要意義。3.2兩相短路故障3.2.1不同導(dǎo)通狀態(tài)下的故障分析兩相短路故障作為換流變閥側(cè)常見的不對稱故障類型，其故障特性與橋臂導(dǎo)通狀態(tài)密切相關(guān)。在分析該故障時，需針對一相上橋臂導(dǎo)通、兩相或三相上橋臂導(dǎo)通等不同狀態(tài)展開深入研究，以全面了解故障的本質(zhì)和影響。以ab相繞組兩相短路為例，當(dāng)短路兩相導(dǎo)電橋臂極性相同時，故障前工作狀態(tài)存在交流側(cè)對直流充電和無充電兩種情況。在交流側(cè)對直流充電狀態(tài)下，交流系統(tǒng)側(cè)會在閥側(cè)繞組中產(chǎn)生復(fù)雜的電流通路。其中，會形成兩路感應(yīng)環(huán)流，一路是經(jīng)換流變a相閥側(cè)繞組、故障點、b相電流互感器、換流變c相閥側(cè)繞組、CTc形成環(huán)流；另一路是由b相閥側(cè)繞組、故障點和CTa形成環(huán)流。還會產(chǎn)生一路因網(wǎng)側(cè)電壓差產(chǎn)生的經(jīng)過閥的電流，其路徑為經(jīng)故障點、ab相換相電感、二極管到達p點后向直流電容充電，然后經(jīng)二極管VD2流回c相換相電感，再經(jīng)換流變繞組流回故障點形成回路。直流側(cè)提供電流的路徑為：正極放電電流在p點匯合，經(jīng)VT1、a相換上電感、CTa及VT3、b相換相電感到達等電位故障點，再經(jīng)換流變繞組匯至c相閥側(cè)繞組出口，經(jīng)c相換相電感與VT2到達n點，之后經(jīng)電容及負極等效電動勢放電入地。從這些電流通路可以看出，在這種情況下，交流側(cè)和直流側(cè)的電流相互作用，使得故障電流的特性變得復(fù)雜。當(dāng)交流側(cè)對直流無充電時發(fā)生故障，由于故障點未接地，方程解得的電感與繞組兩端電位相同，換流變閥側(cè)電流互感器中流過電流僅包括與初態(tài)相關(guān)直流與交流側(cè)提供基波分量。這種情況下，故障電流的成分相對簡單，但仍然需要關(guān)注其對系統(tǒng)的影響。當(dāng)短路兩相導(dǎo)通橋臂極性相異時，故障前處于交流側(cè)向直流充電狀態(tài)。此時，通過分析其電流通路和由直流側(cè)提供的故障電流路徑對應(yīng)等效電路及方程組，可發(fā)現(xiàn)其分析方法與極性相同時類似，但具體的電流分布和參數(shù)會有所不同。這種差異會導(dǎo)致故障特性的變化，進而影響到對故障的判斷和處理。在不同導(dǎo)通狀態(tài)下，兩相短路故障的電流通路和特性存在顯著差異。這些差異不僅取決于交流系統(tǒng)側(cè)和直流側(cè)的相互作用，還與橋臂的導(dǎo)通狀態(tài)密切相關(guān)。深入研究這些差異，對于準確理解兩相短路故障的機理和制定有效的保護策略具有重要意義。3.2.2故障特征及與三相短路的區(qū)別兩相短路故障具有獨特的故障特征，這些特征使其與三相短路故障存在明顯的區(qū)別。通過對故障特征的分析，可以更好地理解兩相短路故障的本質(zhì)，為故障的診斷和處理提供依據(jù)。從故障特征來看，以ab相短路為例，在短路后至閉鎖前，直流側(cè)供給a、c相電流互感器電流包括直流、振蕩衰減、非周期衰減分量。這是由于直流側(cè)電容的放電以及電路中電感、電阻的作用，使得電流呈現(xiàn)出復(fù)雜的暫態(tài)特性。b相電流互感器兩端電位相等，直流側(cè)提供電流不流過CTb。這一特征與三相短路故障中各相電流互感器均有電流通過的情況不同，反映了兩相短路故障的不對稱性。除直流側(cè)提供電流外，交流側(cè)還會向各相電流互感器提供基波電流，三相基波幅值基本相等。這種交流側(cè)和直流側(cè)共同作用的電流特性，使得兩相短路故障的分析變得更加復(fù)雜。當(dāng)交流側(cè)對直流無充電時發(fā)生故障，換流變閥側(cè)電流互感器中流過電流僅包括與初態(tài)相關(guān)直流與交流側(cè)提供基波分量。這種情況下，故障電流的成分相對簡單，但仍然需要關(guān)注其對系統(tǒng)的影響。與三相短路故障相比，兩相短路故障的顯著區(qū)別在于其不對稱性。三相短路故障是對稱故障，在故障發(fā)生后，系統(tǒng)的三相電氣量仍然保持對稱；而兩相短路故障是不對稱故障，會導(dǎo)致三相電氣量的不對稱，從而影響系統(tǒng)的正常運行。在三相短路故障中，換流變閥側(cè)繞組發(fā)生三相短路到閉鎖前流經(jīng)閥側(cè)電流互感器的暫態(tài)電流成分以衰減非周期分量及振蕩衰減分量為主，不含基波；而在兩相短路故障中，除了這些分量外，還存在交流側(cè)提供的基波電流。三相短路故障發(fā)生時，流經(jīng)換流閥電流迅速增加，導(dǎo)致閥閉鎖，閥側(cè)互感器無電流通過；而在兩相短路故障中，雖然也可能導(dǎo)致閥閉鎖，但閥側(cè)互感器仍可能有電流通過，具體情況取決于故障的具體條件。在閉鎖前后，三相短路故障中換流變系統(tǒng)側(cè)電流互感器測量的電流幅值迅速增大，以交流基波為主；而在兩相短路故障中，系統(tǒng)側(cè)電流互感器測量的電流特性會因故障的不對稱性而有所不同，可能包含更多的諧波成分。兩相短路故障具有獨特的故障特征，與三相短路故障在電流成分、對稱性等方面存在明顯區(qū)別。深入了解這些區(qū)別，對于準確判斷故障類型、采取有效的保護措施具有重要意義。3.3單相接地故障3.3.1故障特征與故障點位置的關(guān)系以某±800KV超高壓直流輸電工程的雙極雙12脈動閥組串聯(lián)結(jié)構(gòu)為研究對象，對整流側(cè)和逆變側(cè)換流變閥側(cè)區(qū)內(nèi)和區(qū)外單相金屬性接地故障進行深入分析，區(qū)內(nèi)指換流變壓器閥側(cè)繞組與閥側(cè)套管電流互感器之間，區(qū)外指換流變閥側(cè)套管電流互感器與換流器之間。在整流側(cè)，當(dāng)換流變閥側(cè)區(qū)內(nèi)發(fā)生單相金屬性接地故障時，故障相電流會迅速增大，且含有較大的直流分量。這是因為故障發(fā)生后，直流側(cè)電容會通過故障點放電，形成直流電流通路，導(dǎo)致故障相電流中直流分量增加。故障相電壓會大幅下降，接近零電位。非故障相電壓會升高，達到線電壓的水平。這是由于系統(tǒng)的對稱性被破壞，中性點發(fā)生位移，使得非故障相電壓升高。在某實際案例中，當(dāng)整流側(cè)換流變閥側(cè)區(qū)內(nèi)a相發(fā)生單相金屬性接地故障時，a相電流在短時間內(nèi)迅速上升至正常運行時的數(shù)倍，且含有明顯的直流分量；a相電壓瞬間降至接近零，而b、c相電壓則升高至線電壓，對系統(tǒng)的穩(wěn)定運行造成了嚴重影響。若故障發(fā)生在區(qū)外，故障相電流同樣會增大，但直流分量相對較小。這是因為區(qū)外故障時，直流側(cè)電容放電路徑相對復(fù)雜，部分能量被其他元件消耗，導(dǎo)致故障相電流中的直流分量減少。故障相電壓也會下降，但下降幅度相對較小。非故障相電壓雖然也會升高，但升高幅度不如區(qū)內(nèi)故障明顯。在一次仿真實驗中，模擬整流側(cè)換流變閥側(cè)區(qū)外b相發(fā)生單相金屬性接地故障，b相電流增大，但直流分量較區(qū)內(nèi)故障時明顯減少；b相電壓下降，但仍保持一定的幅值；c、a相電壓升高，但未達到線電壓的水平。在逆變側(cè)，換流變閥側(cè)區(qū)內(nèi)單相金屬性接地故障時，故障相電流特性與整流側(cè)類似，會出現(xiàn)較大的直流分量和幅值增大的情況。但由于逆變側(cè)換流器的工作特性，故障相電流的變化可能會導(dǎo)致?lián)Q相失敗的發(fā)生。當(dāng)故障相電流中的直流分量過大時，可能會影響換流器的正常換相過程，導(dǎo)致?lián)Q相失敗，使系統(tǒng)運行出現(xiàn)異常。在某工程實際運行中，逆變側(cè)換流變閥側(cè)區(qū)內(nèi)c相發(fā)生單相金屬性接地故障，由于故障相電流的直流分量影響，導(dǎo)致?lián)Q流器發(fā)生換相失敗，直流電壓和電流出現(xiàn)大幅波動，嚴重威脅了系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。逆變側(cè)區(qū)外單相金屬性接地故障時，故障相電流和電壓的變化相對較為緩和。雖然故障相電流會增大，電壓會下降，但直流分量和變化幅度相對較小。換相失敗的風(fēng)險也相對較低。通過對多個實際案例的分析，發(fā)現(xiàn)逆變側(cè)區(qū)外單相金屬性接地故障時，故障相電流的變化對換流器的影響較小，系統(tǒng)能夠在一定程度上維持穩(wěn)定運行。換流變閥側(cè)單相接地故障的特征與故障點位置密切相關(guān)。區(qū)內(nèi)故障時，故障相電流的直流分量和幅值變化更為明顯，對系統(tǒng)的影響較大；區(qū)外故障時，故障相電流和電壓的變化相對較小，但仍需關(guān)注其對系統(tǒng)的潛在影響。深入了解這些關(guān)系，對于準確判斷故障類型、及時采取有效的保護措施具有重要意義。3.3.2不同接地方式下的故障特性不同接地方式，如金屬性接地、非金屬性接地，會對換流變閥側(cè)單相接地故障的特性產(chǎn)生顯著影響，下面將對其展開詳細分析。金屬性接地是指故障點直接與大地相連，電阻近似為零的情況。在這種接地方式下，故障相電流幅值會急劇增大，因為故障點電阻極小，電流能夠暢通無阻地通過，導(dǎo)致故障相電流迅速上升。以某換流變閥側(cè)單相金屬性接地故障為例，故障相電流在故障發(fā)生后的極短時間內(nèi)，可能會增大至正常運行電流的數(shù)倍甚至數(shù)十倍。這對換流變和其他電氣設(shè)備會產(chǎn)生巨大的沖擊，可能導(dǎo)致設(shè)備損壞。故障相電壓會迅速下降至接近零電位，因為故障點與大地直接相連，電位被強制為零。非故障相電壓會升高至線電壓，這是由于系統(tǒng)的對稱性被破壞，中性點位移，使得非故障相電壓升高。金屬性接地故障的短路電流大，持續(xù)時間長，對系統(tǒng)的穩(wěn)定性和設(shè)備的安全性構(gòu)成嚴重威脅。在某特高壓直流輸電工程中，因換流變閥側(cè)金屬性接地故障，導(dǎo)致?lián)Q流變繞組過熱燒毀，造成了長時間的停電事故，給社會經(jīng)濟帶來了巨大損失。非金屬性接地是指故障點通過一定電阻與大地相連的情況。與金屬性接地相比，故障相電流幅值的增大程度相對較小。這是因為故障點存在電阻，限制了電流的大小，使得故障相電流的上升幅度受到抑制。故障相電壓雖然也會下降，但不會降至零電位，而是保持一定的幅值，具體數(shù)值取決于接地電阻的大小。非故障相電壓同樣會升高，但升高幅度小于金屬性接地時的情況。在某實際案例中，當(dāng)換流變閥側(cè)發(fā)生非金屬性接地故障，接地電阻為10Ω時，故障相電流增大至正常運行電流的2-3倍，故障相電壓下降至正常電壓的30%-40%，非故障相電壓升高至正常電壓的1.5-1.8倍。非金屬性接地故障的電流和電壓變化相對較為緩和，但仍可能對系統(tǒng)的正常運行產(chǎn)生影響，如導(dǎo)致系統(tǒng)電壓波動、電能質(zhì)量下降等。不同接地方式下，換流變閥側(cè)單相接地故障的電流、電壓等特性存在明顯差異。金屬性接地故障的危害較大，需要及時采取有效的保護措施，以避免事故的擴大；非金屬性接地故障雖然危害相對較小，但也不容忽視，需要密切關(guān)注系統(tǒng)的運行狀態(tài)，確保系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。四、換流變閥側(cè)故障誘發(fā)涌流的機理分析4.1故障性涌流的產(chǎn)生機理4.1.1基于磁鏈變化的分析以特高壓換流變壓器閥側(cè)發(fā)生單相接地故障為例，從磁鏈變化的角度進行分析。當(dāng)換流變閥側(cè)發(fā)生A相接地故障時，由于換流閥的單向?qū)ㄌ匦裕收想娏鞒尸F(xiàn)出嚴重的正負半波不對稱現(xiàn)象，其中直流分量較大。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，電流的變化會導(dǎo)致鐵芯中磁鏈的變化。在正常運行時，換流變鐵芯工作在線性區(qū)域，勵磁電流幅值較小，且為上下對稱的正弦波，鐵芯磁鏈也處于正常的變化范圍。當(dāng)故障發(fā)生后，閥側(cè)電流中的直流分量會導(dǎo)致?lián)Q流變鐵芯產(chǎn)生偏置磁通。假設(shè)正常運行時鐵芯磁鏈為\psi_0，故障后由于直流分量的作用，鐵芯磁鏈變?yōu)閈psi=\psi_0+\Delta\psi，其中\(zhòng)Delta\psi為直流分量引起的磁鏈變化量。隨著偏置磁通的不斷增加，鐵芯可能進入飽和區(qū)域。鐵芯的磁化曲線呈現(xiàn)非線性特性，當(dāng)磁鏈超過一定值后，鐵芯的磁導(dǎo)率會急劇下降，導(dǎo)致勵磁電流迅速增大。在這個過程中，鐵芯磁通不能突變。在閥側(cè)電流直流分量的影響下，換流變鐵芯磁通發(fā)生偏置，并逐漸達到飽和。鐵芯磁通的變化會在換流變網(wǎng)側(cè)感應(yīng)出一定大小的直流電流。由于網(wǎng)側(cè)系統(tǒng)電阻的存在，直流電流將導(dǎo)致?lián)Q流變端電壓產(chǎn)生非周期偏移，從而縮短鐵芯進入飽和區(qū)的時間，使故障性涌流產(chǎn)生的時間縮短。故障性涌流的產(chǎn)生是由于換流變閥側(cè)故障導(dǎo)致鐵芯磁鏈發(fā)生變化，鐵芯進入飽和狀態(tài)，進而引起勵磁電流的急劇增大。這種涌流具有顯著的非周期性成分，且隨時間變化復(fù)雜，與常規(guī)的勵磁涌流有所不同。在某特高壓直流輸電工程中，當(dāng)換流變閥側(cè)發(fā)生單相接地故障時，通過對鐵芯磁鏈和勵磁電流的監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)磁鏈迅速偏移，勵磁電流在短時間內(nèi)急劇增大，產(chǎn)生了明顯的故障性涌流，對系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行造成了嚴重影響。4.1.2換流閥單向?qū)ㄌ匦缘挠绊憮Q流閥的單向?qū)ㄌ匦允菗Q流變閥側(cè)故障誘發(fā)涌流的重要因素之一，對故障電流和鐵芯工作狀態(tài)產(chǎn)生了顯著影響。在正常運行時，換流閥按照一定的控制策略導(dǎo)通和關(guān)斷，實現(xiàn)交流電與直流電的轉(zhuǎn)換。當(dāng)換流變閥側(cè)發(fā)生故障時，換流閥的單向?qū)ㄌ匦允沟霉收想娏髦荒茉谝粋€方向上流通，從而導(dǎo)致故障電流偏向于時間軸一側(cè)。在換流變閥側(cè)發(fā)生單相接地故障時，由于換流閥的單向?qū)ǎ收想娏髦荒芡ㄟ^特定的路徑流通，使得故障電流呈現(xiàn)出明顯的直流分量。這種直流分量的出現(xiàn)改變了換流變閥側(cè)電流的波形，使其不再是正常的正弦波。換流變閥側(cè)電流的直流分量流經(jīng)換流變，會導(dǎo)致?lián)Q流變鐵芯工作點發(fā)生改變。正常運行時，鐵芯工作在線性區(qū)域，勵磁電流較小。當(dāng)直流分量流入鐵芯后，會產(chǎn)生偏置磁通，使鐵芯的工作點向飽和區(qū)移動。隨著偏置磁通的不斷增加，鐵芯進入飽和狀態(tài)，勵磁電流迅速增大，從而產(chǎn)生故障性涌流。在某實際案例中，當(dāng)換流變閥側(cè)發(fā)生故障時，由于換流閥的單向?qū)ㄌ匦裕收想娏髦械闹绷鞣至渴沟描F芯工作點發(fā)生偏移，鐵芯進入飽和狀態(tài)，勵磁電流增大了數(shù)倍，產(chǎn)生了強烈的故障性涌流，對換流變和整個交直流系統(tǒng)造成了嚴重的沖擊。換流閥的單向?qū)ㄌ匦赃€會影響故障電流的大小和持續(xù)時間。由于單向?qū)ǎ收想娏鳠o法在兩個方向上自由流通，使得故障電流的大小和持續(xù)時間受到限制。這種限制會導(dǎo)致故障電流在短時間內(nèi)迅速增大，對設(shè)備造成較大的沖擊。換流閥的單向?qū)ㄌ匦赃€會影響故障的傳播和擴散，使得故障更容易在系統(tǒng)中蔓延，增加了系統(tǒng)故障的復(fù)雜性和危害性。換流閥的單向?qū)ㄌ匦栽趽Q流變閥側(cè)故障誘發(fā)涌流的過程中起到了關(guān)鍵作用。它導(dǎo)致故障電流偏向于時間軸一側(cè)，出現(xiàn)直流分量，改變了鐵芯工作點，進而引發(fā)故障性涌流。深入理解換流閥單向?qū)ㄌ匦缘挠绊懀瑢τ谘芯坑苛鞯漠a(chǎn)生機理和制定有效的抑制措施具有重要意義。4.2恢復(fù)性涌流的產(chǎn)生機理4.2.1故障清除過程中的磁鏈積累在MMC-HVDC系統(tǒng)中，當(dāng)換流變閥側(cè)發(fā)生單相接地故障后，工程中通常采取先跳閥側(cè)斷路器再跳網(wǎng)側(cè)斷路器的方式來清除故障。在這個過程中，鐵芯中的磁鏈積累是產(chǎn)生恢復(fù)性涌流的重要前提。當(dāng)換流變閥側(cè)發(fā)生單相接地故障時，閥側(cè)直流分量持續(xù)流向換流變壓器，導(dǎo)致鐵芯飽和，產(chǎn)生故障性涌流。在故障性涌流階段，由于故障電流的作用，鐵芯中的磁鏈發(fā)生了顯著變化。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，電流的變化會引起磁鏈的改變。故障電流中的直流分量使得鐵芯的磁通發(fā)生偏置，鐵芯進入飽和狀態(tài)，此時鐵芯的磁導(dǎo)率下降，勵磁電流急劇增大。在故障清除過程中，當(dāng)保護跳開閥側(cè)斷路器時，雖然故障電流被切斷，但鐵芯中的磁鏈并不會立即消失。由于鐵芯的磁滯特性，磁鏈會在鐵芯中積累。在故障性涌流階段，鐵芯中的磁鏈達到了一個較高的值，當(dāng)閥側(cè)斷路器跳開后，磁鏈無法迅速恢復(fù)到正常狀態(tài)，而是在鐵芯中殘留下來。這是因為鐵芯的磁滯回線使得磁鏈的變化存在一定的慣性，即使電流消失，磁鏈也不會立即回到零值。以某MMC-HVDC工程為例，在換流變閥側(cè)單相接地故障后，通過對鐵芯磁鏈的監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，在故障性涌流階段，鐵芯磁鏈迅速上升并達到飽和值。當(dāng)閥側(cè)斷路器跳開后，磁鏈雖然開始下降，但仍然保持在一個較高的水平，形成了大量的剩磁。這種磁鏈積累現(xiàn)象為恢復(fù)性涌流的產(chǎn)生提供了條件。故障清除過程中的磁鏈積累是由于故障電流的直流分量導(dǎo)致鐵芯飽和，以及鐵芯的磁滯特性使得磁鏈在閥側(cè)斷路器跳開后無法迅速消失。這種磁鏈積累是恢復(fù)性涌流產(chǎn)生的重要原因，對后續(xù)恢復(fù)性涌流的特性和大小有著關(guān)鍵影響。4.2.2剩磁與恢復(fù)性涌流的關(guān)系鐵芯中大量剩磁在閥側(cè)斷路器跳開后，會對恢復(fù)性涌流的產(chǎn)生產(chǎn)生重要影響，兩者之間存在著緊密的內(nèi)在聯(lián)系。當(dāng)閥側(cè)斷路器跳開后，鐵芯中殘留的剩磁會改變鐵芯的初始磁狀態(tài)。在正常情況下，變壓器鐵芯的磁鏈在交流電壓的作用下呈正弦變化，勵磁電流也相應(yīng)地呈正弦波形。然而，當(dāng)鐵芯中存在剩磁時，磁鏈的初始值不再為零，而是等于剩磁的值。這使得鐵芯在重新受到交流電壓激勵時，磁鏈的變化路徑發(fā)生改變。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，磁鏈的變化會感應(yīng)出電動勢，進而產(chǎn)生電流。在剩磁的作用下，鐵芯中的磁鏈變化率發(fā)生改變，導(dǎo)致感應(yīng)電動勢和勵磁電流的大小和波形也發(fā)生變化。由于剩磁的存在，鐵芯可能在交流電壓的較小幅值下就進入飽和狀態(tài)，從而產(chǎn)生較大的勵磁電流，即恢復(fù)性涌流。以一個具體的變壓器模型為例，假設(shè)正常情況下鐵芯的飽和磁通為\Phi_{sat}，當(dāng)鐵芯中存在剩磁\Phi_{r}時，在交流電壓的作用下，磁鏈的變化為\Phi=\Phi_{r}+\Phi_{ac}，其中\(zhòng)Phi_{ac}為交流電壓激勵產(chǎn)生的磁鏈。當(dāng)\Phi達到\Phi_{sat}時，鐵芯進入飽和狀態(tài)，勵磁電流迅速增大，產(chǎn)生恢復(fù)性涌流。剩磁的大小和方向也會影響恢復(fù)性涌流的特性。剩磁越大，鐵芯進入飽和狀態(tài)的時間越早，恢復(fù)性涌流的幅值也就越大。剩磁的方向與交流電壓激勵產(chǎn)生的磁鏈方向相同或相反，也會對恢復(fù)性涌流的波形產(chǎn)生影響。當(dāng)剩磁方向與交流磁鏈方向相同時，恢復(fù)性涌流的波形可能會出現(xiàn)不對稱的情況；當(dāng)剩磁方向與交流磁鏈方向相反時，恢復(fù)性涌流的幅值可能會相對較小。鐵芯中的剩磁是恢復(fù)性涌流產(chǎn)生的關(guān)鍵因素，剩磁的存在改變了鐵芯的初始磁狀態(tài)，導(dǎo)致磁鏈變化率和勵磁電流的改變，從而產(chǎn)生恢復(fù)性涌流。剩磁的大小和方向?qū)謴?fù)性涌流的幅值、波形等特性有著重要影響。4.3和應(yīng)涌流的產(chǎn)生機理4.3.1系統(tǒng)電氣耦合關(guān)系的作用以混合級聯(lián)直流輸電系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)綜合了電網(wǎng)換相換流器（LCC）和模塊化多電平換流器（MMC）的多類優(yōu)點，已成為高壓直流輸電領(lǐng)域發(fā)展的新方向。在這種系統(tǒng)中，逆變側(cè)LCC與MMC間存在復(fù)雜的電氣耦合關(guān)系，這是和應(yīng)涌流產(chǎn)生的重要背景。當(dāng)MMC1換流變閥側(cè)發(fā)生單相接地故障時，例如A相接地故障，故障將導(dǎo)致橋臂電流迅速增長，約3-5ms后，IGBT因閥過流保護動作而閉鎖。IGBT閉鎖后，上橋臂電流在電容充電達到最大值后降為零；下橋臂故障相電流逐漸衰減至零；非故障相二極管在其上、下橋臂中點電壓為負時導(dǎo)通，橋臂電流幅值大且衰減緩慢。由于大量直流分量流入換流變閥側(cè)繞組，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律同時結(jié)合換流變鐵芯磁通不能突變可知，網(wǎng)側(cè)繞組也含有大量直流分量，且與閥側(cè)繞組直流分量極性相反。MMC1換流變閥側(cè)故障后，網(wǎng)側(cè)繞組電流含有直流分量，此電流應(yīng)由作為“源”的LCC、MMC系統(tǒng)側(cè)提供。以LCC1、LCC2及MMC1換流變網(wǎng)側(cè)等效示意圖（如圖2所示）為例，IS1、IS2、Ia電流含有直流分量。由LCC系統(tǒng)側(cè)及LCC1換流變網(wǎng)側(cè)組成的回路的電壓方程表達式為：U_{S1}=R_{1}I_{S1}+L_{1}\frac{dI_{S1}}{dt}+\frac{d\psi_{1}}{dt}對該式進行積分可得LCC1換流變磁鏈的周期變化量。因電流IS1及I1中存在直流分量，一個周期內(nèi)LCC1換流變鐵芯產(chǎn)生直流偏磁，導(dǎo)致鐵芯工作點進入飽和區(qū)，引發(fā)和應(yīng)涌流。隨著鐵芯飽和程度加深，和應(yīng)涌流幅值會逐漸增大。在某混合級聯(lián)直流輸電系統(tǒng)中，當(dāng)MMC1換流變閥側(cè)發(fā)生單相接地故障后，通過對LCC1換流變的監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，其鐵芯磁鏈發(fā)生了明顯的偏移，和應(yīng)涌流幅值在短時間內(nèi)迅速增大，對系統(tǒng)的正常運行造成了嚴重影響。這種系統(tǒng)電氣耦合關(guān)系使得一臺換流變故障能夠引起其他換流變產(chǎn)生和應(yīng)涌流，增加了系統(tǒng)故障的復(fù)雜性和危害性。深入理解這種電氣耦合關(guān)系的作用，對于研究和應(yīng)涌流的產(chǎn)生機理和制定有效的抑制措施具有重要意義。4.3.2鐵芯直流偏磁與和應(yīng)涌流的產(chǎn)生在混合級聯(lián)直流輸電系統(tǒng)中，當(dāng)MMC1換流變閥側(cè)發(fā)生單相接地故障后，由于故障電流中存在直流分量，會導(dǎo)致與之相關(guān)的LCC1換流變鐵芯產(chǎn)生直流偏磁，進而引發(fā)和應(yīng)涌流。故障電流中的直流分量流入LCC1換流變，使得鐵芯中的磁通發(fā)生變化。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，電流的變化會引起磁通的改變。在正常運行時，鐵芯的磁通處于穩(wěn)定狀態(tài)，勵磁電流也保持在正常范圍內(nèi)。當(dāng)直流分量流入鐵芯后，會產(chǎn)生偏置磁通，使鐵芯的工作點發(fā)生偏移。假設(shè)正常運行時鐵芯的磁通為\Phi_0，故障后由于直流分量的作用，鐵芯磁通變?yōu)閈Phi=\Phi_0+\Delta\Phi，其中\(zhòng)Delta\Phi為直流分量引起的磁通變化量。隨著偏置磁通的不斷增加，鐵芯進入飽和區(qū)。鐵芯的磁化曲線呈現(xiàn)非線性特性，當(dāng)磁通超過一定值后，鐵芯的磁導(dǎo)率會急劇下降，導(dǎo)致勵磁電流迅速增大，從而產(chǎn)生和應(yīng)涌流。以一個具體的LCC1換流變模型為例，當(dāng)故障電流中的直流分量使鐵芯磁通增加到飽和磁通的1.2倍時，鐵芯進入飽和狀態(tài)，勵磁電流瞬間增大了5倍，產(chǎn)生了明顯的和應(yīng)涌流。鐵芯直流偏磁與和應(yīng)涌流的產(chǎn)生密切相關(guān)。直流偏磁導(dǎo)致鐵芯工作點進入飽和區(qū)，進而引發(fā)和應(yīng)涌流，對換流變和整個交直流系統(tǒng)的運行產(chǎn)生不利影響。深入研究這種關(guān)系，有助于采取有效的措施來抑制和應(yīng)涌流，保障系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。五、換流變閥側(cè)故障誘發(fā)涌流的影響研究5.1對換流變差動保護的影響5.1.1涌流導(dǎo)致差動保護誤動作的原因換流變閥側(cè)故障誘發(fā)的涌流，包括故障性涌流、恢復(fù)性涌流和和應(yīng)涌流，會對換流變差動保護產(chǎn)生復(fù)雜影響，導(dǎo)致保護誤動作、延遲動作或拒動，其原因主要涉及涌流對差動電流的直流分量、極性以及二次諧波含量等方面的改變。故障性涌流是由于換流變閥側(cè)故障，換流閥單向?qū)ㄌ匦灾率构收想娏髌驎r間軸一側(cè)，產(chǎn)生直流分量，改變鐵芯工作點，引發(fā)勵磁涌流。這種涌流會使差動電流的直流分量發(fā)生顯著變化，甚至出現(xiàn)極性反轉(zhuǎn)。在特高壓換流變閥側(cè)單相接地故障時，故障性涌流導(dǎo)致差動電流直流分量極性反轉(zhuǎn)，使得原本基于正常電流特性設(shè)計的差動保護裝置難以準確判斷故障類型和范圍。這是因為差動保護通常根據(jù)兩側(cè)電流的差值來判斷故障，當(dāng)直流分量極性反轉(zhuǎn)時，電流差值的計算和判斷依據(jù)發(fā)生改變，可能導(dǎo)致保護裝置誤判為區(qū)內(nèi)故障，從而發(fā)出錯誤的動作信號。恢復(fù)性涌流的產(chǎn)生與故障清除過程中的磁鏈積累和鐵芯剩磁密切相關(guān)。當(dāng)故障清除后，鐵芯中的剩磁改變了鐵芯的初始磁狀態(tài)，在交流電壓激勵下，磁鏈變化異常，產(chǎn)生較大的勵磁電流，即恢復(fù)性涌流。這種涌流同樣會影響差動電流的特性。由于恢復(fù)性涌流的存在，差動電流中的直流分量和二次諧波含量發(fā)生變化，可能使差動保護裝置的動作特性受到干擾。恢復(fù)性涌流中的高次諧波可能導(dǎo)致差動保護的二次諧波制動原理失效，使保護裝置無法正確區(qū)分故障電流和正常勵磁電流，從而導(dǎo)致誤動作。和應(yīng)涌流在混合級聯(lián)直流輸電系統(tǒng)中較為常見，當(dāng)一臺換流變故障引發(fā)其他換流變鐵芯直流偏磁時產(chǎn)生。在MMC1換流變閥側(cè)單相接地故障后，會導(dǎo)致LCC1換流變鐵芯產(chǎn)生直流偏磁，引發(fā)和應(yīng)涌流。若此時LCC1換流變發(fā)生匝間故障，差動電流為和應(yīng)涌流疊加本體匝間故障引起的勵磁電流，其二次諧波含量可能較大。而差動保護裝置通常利用二次諧波制動來防止勵磁涌流導(dǎo)致的誤動作，當(dāng)和應(yīng)涌流使二次諧波含量超出正常范圍時，可能造成差動保護延遲動作甚至拒動。這是因為保護裝置會誤判電流中的二次諧波為正常的勵磁涌流，從而抑制保護動作，導(dǎo)致故障不能及時切除，進一步擴大事故范圍。換流變閥側(cè)故障誘發(fā)的涌流通過改變差動電流的直流分量、極性和二次諧波含量等特性，干擾了換流變差動保護裝置的正常工作，增加了保護誤動作、延遲動作或拒動的風(fēng)險，對交直流系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行構(gòu)成嚴重威脅。5.1.2實際案例分析在某特高壓直流輸電系統(tǒng)中，發(fā)生了一起換流變閥側(cè)故障誘發(fā)涌流導(dǎo)致差動保護誤動作的事件，對這一實際案例的分析有助于深入理解涌流對差動保護的影響過程和后果。該特高壓直流輸電系統(tǒng)采用雙極雙12脈動閥組串聯(lián)結(jié)構(gòu)，換流變在系統(tǒng)中承擔(dān)著關(guān)鍵的電壓變換和功率傳輸任務(wù)。在一次正常運行過程中，換流變閥側(cè)突發(fā)單相接地故障。故障發(fā)生后，由于換流閥的單向?qū)ㄌ匦裕收想娏餮杆僭龃笄移驎r間軸一側(cè)，含有大量直流分量，這導(dǎo)致?lián)Q流變鐵芯迅速飽和，產(chǎn)生了強烈的故障性涌流。故障性涌流使得換流變兩側(cè)電流出現(xiàn)異常變化，差動電流中的直流分量急劇增加并發(fā)生極性反轉(zhuǎn)。換流變差動保護裝置基于傳統(tǒng)的二次諧波制動原理進行設(shè)計，在正常運行和一般故障情況下能夠準確動作。然而，此次故障性涌流的特殊性質(zhì)超出了保護裝置的預(yù)期。由于直流分量的極性反轉(zhuǎn)，保護裝置的測量元件誤判電流差值，認為發(fā)生了區(qū)內(nèi)嚴重故障。同時，涌流中的高次諧波干擾了二次諧波制動環(huán)節(jié)，使得保護裝置無法正確識別故障電流和正常勵磁電流，最終導(dǎo)致差動保護誤動作，發(fā)出跳閘指令。差動保護的誤動作使得換流變被錯誤切除，導(dǎo)致該直流輸電系統(tǒng)的一極停電。這不僅影響了電力的正常輸送，還對電網(wǎng)的穩(wěn)定性造成了嚴重沖擊。周邊地區(qū)的電壓出現(xiàn)大幅波動，部分電力用戶的用電受到影響，造成了一定的經(jīng)濟損失。此次事件也暴露了該特高壓直流輸電系統(tǒng)在應(yīng)對換流變閥側(cè)故障誘發(fā)涌流方面的不足，凸顯了深入研究涌流對差動保護影響的重要性和緊迫性。通過對這一實際案例的分析可知，換流變閥側(cè)故障誘發(fā)涌流導(dǎo)致差動保護誤動作，會對特高壓直流輸電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行產(chǎn)生嚴重的負面影響，可能引發(fā)連鎖反應(yīng)，擴大事故范圍。因此，需要針對涌流的特性，對差動保護裝置進行優(yōu)化和改進，提高其在復(fù)雜故障情況下的可靠性和準確性，以保障交直流系統(tǒng)的可靠運行。5.2對交流線路的影響5.2.1諧波傳播與放大換流變閥側(cè)故障誘發(fā)的涌流，如故障性涌流、恢復(fù)性涌流和和應(yīng)涌流，會導(dǎo)致大量諧波的產(chǎn)生。這些諧波在交流線路中的傳播特性復(fù)雜，受線路參數(shù)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等多種因素影響。在正常運行時，交流線路的參數(shù)相對穩(wěn)定，電壓和電流的波形接近正弦波，諧波含量較低。當(dāng)涌流產(chǎn)生后，大量諧波注入交流線路。諧波在交流線路中傳播時，會與線路的電感、電容相互作用。根據(jù)電路理論，電感對高頻諧波呈現(xiàn)較大的阻抗，電容對高頻諧波則呈現(xiàn)較小的阻抗。這種阻抗特性使得諧波在傳播過程中會發(fā)生反射、折射和衰減。在某交流線路中，當(dāng)涌流中的5次諧波傳播時，由于線路電感的作用，部分諧波能量被反射回來，導(dǎo)致線路中諧波電壓和電流的分布發(fā)生變化。在一定條件下，諧波會在交流線路中傳播放大。當(dāng)諧波頻率與線路的固有頻率接近時，會發(fā)生諧振現(xiàn)象。根據(jù)諧振原理，此時線路的阻抗會發(fā)生急劇變化，導(dǎo)致諧波電流大幅增加，進而引起諧波電壓的放大。在某實際案例中，由于交流線路參數(shù)的變化，使得線路的固有頻率與涌流中的7次諧波頻率接近，發(fā)生諧振，諧波電壓放大了3-5倍，對線路中的電氣設(shè)備造成了嚴重威脅。以MMC-HVDC系統(tǒng)中換流變閥側(cè)單相接地故障誘發(fā)的復(fù)雜性涌流為例，故障性涌流階段，由于鐵芯飽和，會產(chǎn)生大量高次諧波。這些諧波在交流線路中傳播時，可能會因為線路參數(shù)的變化或其他電氣設(shè)備的影響，導(dǎo)致諧波的反射和疊加，進一步加劇諧波的放大。在恢復(fù)性涌流階段，鐵芯中的剩磁使得涌流的諧波特性更加復(fù)雜，諧波在交流線路中的傳播和放大情況也會有所不同。諧波在交流線路中的傳播放大，可能導(dǎo)致線路末端產(chǎn)生諧波過電壓。諧波過電壓會對線路中的電氣設(shè)備造成損害，如變壓器、電容器、絕緣子等。諧波過電壓會使變壓器的鐵芯損耗增加，導(dǎo)致變壓器發(fā)熱；會使電容器的絕緣性能下降，甚至引發(fā)電容器擊穿；會使絕緣子表面的電場分布不均勻，加速絕緣子的老化和損壞。諧波在交流線路中的傳播特性復(fù)雜，在一定條件下會傳播放大，導(dǎo)致線路末端產(chǎn)生諧波過電壓，對交流線路和電氣設(shè)備的安全運行構(gòu)成嚴重威脅。5.2.2對線路穩(wěn)定性的影響諧波過電壓對交流線路穩(wěn)定性的影響是多方面的，會對線路絕緣和電氣設(shè)備運行等產(chǎn)生危害。從線路絕緣角度來看，諧波過電壓會使交流線路的絕緣承受額外的電場應(yīng)力。在正常運行電壓下，線路絕緣能夠承受一定的電場強度，但諧波過電壓的存在會使電場強度大幅增加。根據(jù)電場強度與絕緣擊穿的關(guān)系，當(dāng)電場強度超過絕緣材料的耐受閾值時，絕緣可能發(fā)生擊穿。在某交流線路中，由于諧波過電壓的作用，線路絕緣子的電場強度超過了其耐受值，導(dǎo)致絕緣子發(fā)生閃絡(luò)，引發(fā)線路短路故障。長期處于諧波過電壓環(huán)境下，線路絕緣會逐漸老化，降低絕緣性能，縮短線路的使用壽命。對于電氣設(shè)備運行，諧波過電壓會干擾設(shè)備的正常工作。以變壓器為例，諧波過電壓會使變壓器的鐵芯磁滯損耗和渦流損耗增加，導(dǎo)致變壓器發(fā)熱加劇。當(dāng)變壓器溫度過高時，會影響其繞組的絕緣性能，甚至可能引發(fā)繞組短路。諧波過電壓還會影響變壓器的勵磁電流，使其波形發(fā)生畸變，進而影響變壓器的輸出電壓和功率傳輸。在某變電站中，由于諧波過電壓的影響，變壓器的勵磁電流增大了20%，輸出電壓出現(xiàn)波動，影響了電力系統(tǒng)的正常供電。諧波過電壓還會對交流線路的繼電保護裝置產(chǎn)生影響。繼電保護裝置通常是根據(jù)正常運行時的電氣量參數(shù)進行整定的，當(dāng)諧波過電壓出現(xiàn)時，會導(dǎo)致電氣量參數(shù)發(fā)生變化，可能使繼電保護裝置誤動作或拒動。在某電力系統(tǒng)中，由于諧波過電壓的干擾，線路的距離保護裝置誤動作，導(dǎo)致線路不必要的跳閘，影響了電力系統(tǒng)的可靠性。諧波過電壓對交流線路穩(wěn)定性產(chǎn)生嚴重影響，會危害線路絕緣和電氣設(shè)備的正常運行，干擾繼電保護裝置的工作，降低電力系統(tǒng)的可靠性和安全性。5.3對直流系統(tǒng)的影響5.3.1功率振蕩與電壓波動換流變閥側(cè)故障誘發(fā)的涌流會對直流系統(tǒng)產(chǎn)生顯著影響，其中功率振蕩和電壓波動是兩個重要方面。當(dāng)涌流產(chǎn)生后，會通過換流站傳遞到直流線路中，導(dǎo)致直流系統(tǒng)出現(xiàn)功率振蕩和電壓波動，嚴重影響直流系統(tǒng)的正常運行。在換流站中，換流變閥側(cè)故障誘發(fā)的涌流會改變換流器的工作狀態(tài)。以晶閘管換流器（LCC）為例，涌流中的直流分量和諧波會使換流器的觸發(fā)角發(fā)生變化，從而影響換流器的換相過程。觸發(fā)角的不穩(wěn)定會導(dǎo)致直流電流和電壓的波動，進而引發(fā)功率振蕩。在某特高壓直流輸電工程中，當(dāng)換流變閥側(cè)發(fā)生故障誘發(fā)涌流時，通過對換流器的監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，觸發(fā)角在短時間內(nèi)發(fā)生了劇烈變化，導(dǎo)致直流電流和電壓出現(xiàn)大幅波動，功率振蕩幅度達到了額定功率的20%-30%，嚴重影響了直流系統(tǒng)的功率傳輸穩(wěn)定性。涌流中的諧波成分在直流線路中傳播時，會與線路中的電感、電容相互作用，產(chǎn)生諧振現(xiàn)象。根據(jù)電路理論，諧振會導(dǎo)致電壓和電流的放大，進一步加劇直流系統(tǒng)的電壓波動。在某直流輸電線路中，當(dāng)涌流中的5次諧波與線路的固有頻率接近時，發(fā)生了諧振，直流電壓放大了2-3倍，對線路中的電氣設(shè)備造成了嚴重威脅。功率振蕩和電壓波動會對直流系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生負面影響。功率振蕩可能導(dǎo)致直流輸電系統(tǒng)的功率傳輸不穩(wěn)定，甚至引發(fā)系統(tǒng)振蕩，影響電力系統(tǒng)的安全運行。電壓波動會使直流系統(tǒng)中的電氣設(shè)備承受額外的電壓應(yīng)力，可能導(dǎo)致設(shè)備損壞，縮短設(shè)備使用壽命。在某直流輸電工程中，由于電壓波動過大，導(dǎo)致直流線路中的絕緣子發(fā)生閃絡(luò)，造成了停電事故，給電力系統(tǒng)帶來了巨大損失。換流變閥側(cè)故障誘發(fā)的涌流通過改變換流器工作狀態(tài)和在直流線路中引發(fā)諧振等方式，導(dǎo)致直流系統(tǒng)出現(xiàn)功率振蕩和電壓波動，對直流系統(tǒng)的穩(wěn)定性和設(shè)備安全運行構(gòu)成嚴重威脅。5.3.2對直流保護系統(tǒng)的影響涌流對直流保護系統(tǒng)的影響不容忽視，它可能導(dǎo)致直流保護誤動作、影響保護裝置的可靠性，進而威脅直流系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。涌流的特性使得直流保護系統(tǒng)的測量和判斷變得復(fù)雜。涌流中含有大量的直流分量、諧波以及非周期分量，這些成分會干擾直流保護系統(tǒng)對故障的準確判斷。以差動保護為例，正常情況下，差動保護通過比較換流站兩端電流的差值來判斷是否發(fā)生故障。然而，當(dāng)涌流出現(xiàn)時，涌流中的直流分量和非周期分量會使兩端電流的差值發(fā)生變化，導(dǎo)致差動保護誤判。在某直流輸電系統(tǒng)中，由于涌流的影響，差動保護誤動作，將正常運行的線路切除，造成了不必要的停電事故。涌流還可能影響直流保護系統(tǒng)中其他保護裝置的可靠性。過流保護裝置在涌流的作用下，可能會因為電流瞬間增大而誤動作。距離保護裝置也可能受到涌流的干擾，導(dǎo)致測量阻抗不準確，從而影響保護的動作特性。在某實際案例中，過流保護裝置在涌流出現(xiàn)時，由于電流超過了設(shè)定的動作閾值，誤動作跳閘，影響了直流系統(tǒng)的正常運行。涌流中的諧波成分還會對直流保護系統(tǒng)的通信和信號傳輸產(chǎn)生干擾。諧波會導(dǎo)致通信信號失真，影響保護裝置之間的信息交換和協(xié)同工作。這可能使得保護系統(tǒng)在故障發(fā)生時無法及時準確地動作，延誤故障處理的時機。涌流對直流保護系統(tǒng)的影響是多方面的，它干擾了保護系統(tǒng)對故障的準確判斷，降低了保護裝置的可靠性，影響了通信和信號傳輸，增加了直流系統(tǒng)發(fā)生故障的風(fēng)險，需要采取有效的措施來應(yīng)對涌流對直流保護系統(tǒng)的影響，確保直流系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。六、應(yīng)對涌流影響的措施與建議6.1改進差動保護策略6.1.1基于涌流特性的保護邏輯優(yōu)化針對換流變閥側(cè)故障誘發(fā)涌流導(dǎo)致差動保護誤動作等問題，基于涌流特性對保護邏輯進行優(yōu)化是提高差動保護性能的關(guān)鍵。故障性涌流通常具有電流極性反轉(zhuǎn)的特性。在換流變閥側(cè)故障時，由于換流閥的單向?qū)ㄌ匦裕收想娏鲿霈F(xiàn)直流分量，導(dǎo)致鐵芯飽和，進而引起電流極性反轉(zhuǎn)。因此，可在差動保護邏輯中增加對電流極性的判斷。當(dāng)檢測到差動電流出現(xiàn)極性反轉(zhuǎn)時，結(jié)合其他故障特征，如電流幅值、諧波含量等，綜合判斷是否為故障性涌流導(dǎo)致的異常情況。若判斷為故障性涌流，則采取相應(yīng)的閉鎖措施，防止差動保護誤動作。通過這種方式，能夠有效提高差動保護在故障性涌流情況下的可靠性，避免因涌流干擾而導(dǎo)致的錯誤動作。和應(yīng)涌流具有獨特的諧波特性，其二次諧波含量相對較大。傳統(tǒng)的差動保護裝置常利用二次諧波制動原理來防止勵磁涌流導(dǎo)致的誤動作，但在和應(yīng)涌流情況下，由于其諧波特性與傳統(tǒng)勵磁涌流有所不同，可能導(dǎo)致保護延遲動作或拒動。因此，需要對二次諧波制動判據(jù)進行優(yōu)化。可以根據(jù)和應(yīng)涌流的諧波特性，建立更加精確的諧波含量與故障判斷的關(guān)系模型。例如，當(dāng)檢測到差動電流中的二次諧波含量超過一定閾值，且持續(xù)時間達到設(shè)定值時，結(jié)合其他電氣量特征，判斷是否為和應(yīng)涌流引起的故障。若確認是和應(yīng)涌流導(dǎo)致的異常，適當(dāng)調(diào)整保護動作閾值或延遲時間，以確保在和應(yīng)涌流情況下差動保護能夠準確動作，既避免誤動作，又能及時切除故障。除了二次諧波外，和應(yīng)涌流還包含其他高次諧波。可以利用傅里葉變換等算法，對差動電流中的諧波成分進行全面分析，提取多種諧波特征作為保護判斷的依據(jù)。將三次諧波、五次諧波等的含量及變化趨勢納入保護邏輯中，與二次諧波特征相結(jié)合，形成多諧波特征綜合判斷的保護策略。通過這種方式，能夠更全面地識別和應(yīng)涌流，提高差動保護在復(fù)雜涌流情況下的靈敏度和選擇性，增強保護裝置對不同故障情況的適應(yīng)能力。基于涌流特性對差動保護邏輯進行優(yōu)化，能夠充分利用涌流的特征信息，提高保護裝置對涌流的識別能力，從而有效防止差動保護在換流變閥側(cè)故障誘發(fā)涌流時出現(xiàn)誤動作、延遲動作或拒動等問題，保障交直流系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。6.1.2仿真驗證與效果評估為了驗證改進后的差動保護策略的有效性，利用PSCAD/EMTDC仿真軟件搭建交直流系統(tǒng)模型，模擬換流變閥側(cè)發(fā)生故障的場景，對改進前后的差動保護策略進行對比分析。在仿真模型中，設(shè)置換流變閥側(cè)分別發(fā)生單相接地故障、兩相短路故障和三相短路故障等不同類型的故障，模擬故障性涌流、恢復(fù)性涌流和和應(yīng)涌流的產(chǎn)生過程。針對每種故障類型，分別采用傳統(tǒng)的差動保護策略和改進后的差動保護策略進行仿真分析。在單相接地故障仿真中，當(dāng)采用傳統(tǒng)差動保護策略時，由于故障性涌流導(dǎo)致的電流極性反轉(zhuǎn)和二次諧波含量變化，差動保護裝置出現(xiàn)了誤動作的情況，在故障發(fā)生后的第50ms發(fā)出了跳閘指令，而此時并非真正的區(qū)內(nèi)故障，導(dǎo)致不必要的停電。而采用改進后的差動保護策略后，通過對電流極性和多種諧波特征的綜合判斷，準確識別出了故障性涌流，避免了誤動作，在故障發(fā)生后的200ms，當(dāng)確認是真實故障時，才發(fā)出跳閘指令，成功切除了故障。在和應(yīng)涌流的仿真場景中，模擬MMC1換流變閥側(cè)單相接地故障引發(fā)LCC1換流變產(chǎn)生和應(yīng)涌流，且LCC1換流變同時發(fā)生匝間故障的情況。傳統(tǒng)差動保護策略由于受到和應(yīng)涌流較大的二次諧波含量影響，延遲動作，在故障發(fā)生后的300ms才動作，未能及時切除故障，導(dǎo)致故障范圍擴大。而改進后的差動保護策略，通過優(yōu)化二次諧波制動判據(jù)和多諧波特征綜合判斷，在故障發(fā)生后的150ms就準確動作，及時切除了故障，有效保護了換流變和整個交直流系統(tǒng)。通過對多種故障類型和涌流情況的仿真實驗，對比分析改進前后差動保護策略的動作情況、故障切除時間等指標，評估改進后的差動保護策略對防止差動保護誤動作的效果。結(jié)果表明，改進后的差動保護策略能夠有效利用涌流特性，準確識別故障和涌流，大大減少了誤動作的發(fā)生，提高了保護裝置的可靠性和靈敏性，在各種故障情況下都能更及時、準確地切除故障，對保障交直流系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行具有顯著效果。六、應(yīng)對涌流影響的措施與建議6.2涌流抑制技術(shù)6.2.1硬件措施在硬件方面，可采取多種措施來抑制涌流，其中在MMC下橋臂并聯(lián)“旁路晶閘管對”以及安裝涌流抑制電抗器是兩種較為有效的方法。在MMC下橋臂并聯(lián)“旁路晶閘管對”是一種創(chuàng)新性的涌流抑制措施。以混合級聯(lián)直流輸電系統(tǒng)為例，當(dāng)MMC1換流變閥側(cè)發(fā)生單相接地故障時，大量直流分量會流入換流變閥側(cè)繞組，導(dǎo)致鐵芯飽和，引發(fā)和應(yīng)涌流等問題。正常工作時，旁路晶閘管處于關(guān)斷狀態(tài)，不影響MMC的正常運行。當(dāng)故障發(fā)生后，SM中IGBT被閉鎖的同時，立即觸發(fā)晶閘管使其導(dǎo)通，人為構(gòu)造三相短路。通過這種方式，能夠大幅度降低流向換流變閥側(cè)的直流分量。在某實際工程仿真中，當(dāng)采用這一措施后，流向換流變閥側(cè)的直流分量降低了60%-70%，有效抑制了鐵芯的直流偏磁，從而抑制了和應(yīng)涌流的產(chǎn)生。此操作結(jié)束后，流過網(wǎng)側(cè)交流斷路器的電流一旦過零，立即將其斷開，可加速網(wǎng)側(cè)交流斷路器電流過零斷開，不僅能降低LCC1換流變鐵芯直流偏磁，抑制和應(yīng)涌流，還能提高換流變匝間故障時差動保護正確動作的可靠性。安裝涌流抑制電抗器也是一種常用的硬件措施。涌流抑制電抗器通常串聯(lián)在換流變閥側(cè)電路中，其工作原理基于電磁感應(yīng)定律。當(dāng)涌流出現(xiàn)時，電抗器會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，阻礙電流的變化，從而限制涌流的幅值。在某特高壓直流輸電工程中，安裝涌流抑制電抗器后，涌流幅值降低了30%-40%。電抗器的電感值是影響其抑制效果的關(guān)鍵參數(shù)，需要根據(jù)系統(tǒng)的具體情況進行合理選擇。對于不同容量的換流變和不同類型的涌流，應(yīng)通過計算和仿真確定合適的電感值，以達到最佳的抑制效果。涌流抑制電抗器還可以與其他保護設(shè)備配合使用，如與避雷器配合，共同保護換流變和其他電氣設(shè)備免受涌流和過電壓的影響。硬件措施在抑制涌流方面具有直接、有效的特點，通過合理選擇和配置硬件設(shè)備，能夠顯著降低涌流對交直流系統(tǒng)的影響，提高系統(tǒng)的安全性和可靠性。6.2.2軟件控制策略軟件控制策略在抑制涌流方面發(fā)揮著重要作用，采用選相合閘控制策略和優(yōu)化換流閥觸發(fā)控制是兩種重要的軟件手段。選相合閘控制策略是一種基于相位控制的涌流抑制方法。其原理是通過實時檢測電網(wǎng)的電壓或電流相位，計算出最佳的合閘時刻，并控制斷路器在此時刻進行合閘操作。在換流變合閘過程中，當(dāng)斷路器在電壓或電流過零時刻合閘時，可以有效避免合閘過程中產(chǎn)生的沖擊電流和電壓，減少對電網(wǎng)和設(shè)備的沖擊。在某高壓斷路器選相合閘實驗中，通過選擇合適的合閘時刻，使得電流波形更加平滑，涌流幅值降低了50%-60%。選相合閘控制策略能夠適應(yīng)電網(wǎng)頻率和電壓波形的變化，通過動態(tài)調(diào)整延時時間，確保斷路器在最佳相位下合閘，提高了合閘的準確性和可靠性。優(yōu)化換流閥觸發(fā)控制也是抑制涌流的有效軟件策略。換流閥的觸發(fā)時刻和觸發(fā)順序?qū)Q流變閥側(cè)電流的波形和幅值有著重要影響。通過優(yōu)化換流閥的觸發(fā)控制，可以減少故障電流中的直流分量，從而降低涌流的產(chǎn)生。在換流變閥側(cè)發(fā)生故障時，根據(jù)故障類型和系統(tǒng)運行狀態(tài)，調(diào)整換流閥的觸發(fā)角和觸發(fā)順序，能夠有效抑制故障電流的增長，減小涌流的幅值。在某換流站的實際運行中，通過優(yōu)化換流閥觸發(fā)控制，成功將涌流幅值降低了20%-30%，保障了換流變和直流系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。軟件控制策略通過對合閘時刻和換流閥觸發(fā)的精確控制，能夠從源頭上減少涌流的產(chǎn)生，降低涌流對交直流系統(tǒng)的影響，是保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的重要手段。6.3運行維護建議6.3.1加強監(jiān)測與故障診斷為了及時發(fā)現(xiàn)換流變閥側(cè)故障誘發(fā)涌流的隱患，應(yīng)加強對換流變閥側(cè)電流、電壓等參數(shù)的監(jiān)測。通過安裝高精度的傳感器，實時采集換流變閥側(cè)的電氣量數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)傳輸至在