高压直流输电系统电能输送容量大、损耗低，输电功率调节或反转迅速灵活，同时具有输电可靠性高、非同步联络能力强等优点，因此在远距离、大区域的电网互联及大容量输电等方面应用广泛。换流阀是实现交直流变换的关键设备，在直流输电工程中换流阀不仅具有整流和逆变的功能，还具有开关的功能，利用其快速可控性可实现对直流快速启动和停运的操作。换相失败是指换流阀在换相电压反向之前未能完成换相，是直流系统运行中常见故障之一。造成换相失败的因素很多，如果换相失败后控制不当，会引发后续的换相失败，严重时将导致直流系统闭锁[1-9]。本文以伊克昭—沂南±800 kV直流输电工程为研究对象，通过受端沂南站换相失败仿真试验，分析送端伊克昭站交流电压异常对站内设备的影响，并提出合理建议。
1 换相失败原因及特征换流阀的导通条件为：换流阀的阳极电位高于阴极电位，在控制极加上触发所需的脉冲。当换流器两个阀进行换相时，在换相过程未结束或预计关断的阀关断后，反向电压未能恢复阻断能力，若加在该阀上的电压为正，则会造成其立即重新导通，发生倒换相，使预计开通的阀重新关断，这种现象即为换相失败[10-12]。
换相失败一般发生在逆变侧，会导致相间短路，对换流阀产生一定的影响；还可能导致直流闭锁，对电网造成严重危害。换相失败故障具有以下特点：交流侧同一相的一对阀同时导通，造成直流短路；直流电压在一定时间内降至零，直流电流短时增大，交流侧短时开路，电流减小[11-14]。
2 昭沂直流工程换相失败仿真分析伊克昭—沂南±800 kV直流输电工程（以下简称昭沂直流工程）西起内蒙古自治区鄂尔多斯市伊克昭换流站（整流站），东至山东省临沂市沂南换流站（逆变站），横跨内蒙古、陕西、山西、河北、河南、山东6省，直流线路长约1238 km。该工程于2015-12-01核准建设，2019-01-11正式投运，是当时世界上电压等级最高、输送容量最大的特高压直流工程。额定电压± 800 kV，额定电流6250 A，额定输送功率10 GW。本文针对沂南站换相失败对伊克昭站交直流设备的影响进行分析。
2.1 逆变站换相失败仿真试验对逆变侧换相失败进行仿真试验，验证单阀组发生丢失脉冲故障时，换相失败能否正确动作，并核实控制系统运行是否平稳，闭锁、紧急停运等时序是否正确。
将系统调至试验状态工况，通过RTDS仿真系统模拟逆变站极Ⅰ低端阀组Y/Y绕组某一桥臂3 s脉冲丢失故障。系统试验前状态见表 1。
| 表 1 系统试验前状态1） |
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故障导致换相失败发生，从录波图（见图 1）可以看出，沂南站在0.2 s时发生换相失败，波动时间持续600 ms，0.8 s时阀组闭锁。
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| 图 1 换相失败时沂南站录波图 |
逆变侧出现换相失败时，查看整流侧直流系统故障录波（见图 2）。可以看出，换相失败发生时整流侧直流电压瞬间跌落50%、电流瞬间突增至1.4（p.u.），后控保系统将电流控制到1.05（p.u.），波动持续650 ms，阀组闭锁，换相失败保护正确动作。
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| 图 2 换相失败时整流侧直流系统录波图 |
交流系统是一个恒定的功率源。直流系统不仅要从交流系统中获取有功，还要获取足够的无功来支持换流阀工作，因此直流系统的故障会给交流系统带来影响。
当模拟逆变侧极Ⅰ低端阀组Y/Y绕组某一桥臂3 s脉冲丢失导致换相失败故障时，整流侧交流系统出现扰动。500 kV母线电压最低470 kV，最高570 kV，持续800 ms，扰动幅度为-6%~14%。
逆变侧发生换相失败后，整流侧电流调节器为限制故障电流而增加触发角α，逆变侧交流电压也增加。整流侧吸收的无功发生突变，导致交流侧电压突降，无功需求增大，最终导致阀组闭锁。可以看出，逆变侧换相失败对整流侧交流系统扰动明显，交流电压发生畸变，导致无功需求发生变化。
3 整流侧交流电压异常对站内设备的影响多次模拟沂南站不同工况下换相失败后对伊克昭站设备的影响，试验项目及数据见表 2，具体过程及分析如下。
| 表 2 沂南站换相失败时伊克昭站500 kV、400 V母线电压变化情况1） |
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当发生换相失败时，首先表现为触发角α增大，此时换流器无功需求增大，造成交流电压突降，换流阀单阀组闭锁。为保证功率平稳回降，控保系统将进入1.05（p.u.）过负荷状态，此时电流增大，α减小，换流器无功需求降低，造成交流系统无功过剩。此时控保无功控制动作，切除交流滤波器。
在1.8试验时，沂南站换相失败后，伊克昭站单阀组闭锁，此时α为24°，有功功率为7875 MW。额定工况下，伊克昭站所需无功为5 795.4 Mvar，单阀组闭锁后所需无功为5 537.86 Mvar，无功需求减少257.5 Mvar。
伊克昭站配置的交流滤波器每小组容量为265 Mvar。阀组闭锁后，根据伊克昭站无功控制策略，在3.4 s切除1小组交流滤波器，以降低母线电压。
3.2 低容、低抗投切（1）伊克昭站3台联备变压器低压侧各安装2组低压电抗器（以下简称低抗），每组120 Mvar，换流器解锁后，选取两组参与无功控制，其余4组参与电压控制。当母线电压高于537 kV，延时5 s投入1组低抗；交流电压低于523 kV，延时5 s切除一组低抗。
（2）伊克昭站3台联备变压器低压母线侧各安装2组低压电容器（以下简称低容），每组120 Mvar，换流器解锁后，选取未投入的所有低容参与无功控制，投入的低容参与电压控制。交流电压高于542 kV时，延时5 s切除1组低容；交流电压低于510 kV，延时5 s投入一组低容。
在以上换相失败试验中，交流母线持续过压时间远未达到低容、低抗投切要求，因此伊克昭站低容、低抗未动作。
3.3 站用电系统异常根据表 2数据，换相失败后，伊克昭站站用电系统会随着交流系统波动，并跟随伊克昭站500 kV母线电压的变化而变化。当功率1.0（p.u.）、脉冲3 s或阀短路100 ms导致换相失败时，整流侧400 V母线的波动较大，当功率0.1（p.u.）、阀丢脉冲3 s或阀短路100 ms导致换相失败时，整流侧400 V母线的波动较小。
通过以上换相失败试验得出，沂南站发生换相失败，会导致伊克昭站站用电系统发生波动。因此逆变侧换相失败会对整流侧400 V负荷产生影响。
3.4 阀外冷主泵软启动器伊克昭站阀冷系统主泵配置欠压保护，若400 V母线电压扰动异常，会造成欠压保护动作。伊克昭站阀冷系统欠压保护定值为320 V，延时0 s。对比不同工况下沂南站换相失败导致伊克昭站站用电系统的波动，波动影响最大的一次为1.8试验。试验中400 V母线电压最高为485 V，最低为364 V，未达到主泵欠压保护动作定值和主泵切换定值。主循环泵采用交流电源，主泵在电压波动±10%范围内能够正常工作。
通过以上分析可得，在昭沂直流大功率运行工况下，400 V母线电压波动较大，阀冷系统欠压保护定值设置合理，阀外冷主泵可以避开波动范围，但也应该加强监视，及时关注主泵的运行状态。
3.5 阀外冷风机变频器伊克昭站阀外冷风机由变频风机和工频风机组成，风机过压保护定值为480 V，欠压保护定值为320 V，延时2 s。考虑变频器电压测量误差5%，当发生换相失败时，400 V电压跌落至90%，持续800 ms，未达到冷却风机停机电压及冷却风机切换电源定值，故对外冷风机变频器无影响。
通过以上分析，阀外冷风机系统过压、欠压定值设置合理，当逆变侧换相失败导致整流侧母线波动时，外冷风机可以避开波动范围。
3.6 换流变压器冷却器伊克昭站换流变压器冷却器由两路380 V交流电源供电。当单路380 V交流电源供电故障时，系统延时5 s后备用电源投入使用，在此期间汇控柜与风冷控制柜交流电源失电，同时导致控制回路失电，设备停机。当两路380 V交流电源同时故障时，将导致整个换流变压器冷却系统无法工作，必须停机检修。
当单路380 V交流电源电压值低于欠压定值0.85（p.u.）时，自动切换装置启动，断开一路电源，合上另一路电源。伊克昭站换流变压器冷却器电源切换装置电压监视继电器为欠压继电器，欠压动作定值为323 V，延时5 s。冷却风机电动机可在50% 工频电源下正常工作。当发生换相失败时，400 V电压跌至90%，持续800 ms，未达到冷却风机停机电压及切换电源定值，不影响冷却器正常运行。
通过分析，该系统欠压定值设置合理，当逆变侧换相失败导致整流侧母线电压波动时，换流变压器冷却器可以避开波动范围。
4 结论与优化建议 4.1 结论通过仿真分析昭沂直流工程调试期间沂南站换相失败对伊克昭站交、直流系统扰动及400 V所带负荷的影响，得出以下结论。
（1）沂南站换相失败的时间、长度、次数不同，对伊克昭站交流系统的影响程度也不一样，但受沂南站交流扰动影响，伊克昭站的情况没有改变。
（2）当发生换相失败时，为了快速恢复晶闸管阻断能力，逆变侧控制系统将增大触发角，导致换流器无功需求增大，逆变侧交流电压降低。此时逆变侧理想空载直流电压变低，整流侧和逆变侧之间电压差增大，造成直流电流增大。整流侧检测到极母线电流增大，控制系统将增大触发角，降低整流侧理想空载电压，此时两侧电压差减小，直流电流降低。
（3）逆变侧短时换相失败对整流侧400 V母线电压扰动幅度为-6%~14%，扰动时间较短。400 V所带负荷如阀外冷主泵、阀外冷风机、换流变冷却器的保护定值设置合理，可避开电压波动。
（4）在直流系统大功率运行时，逆变侧换相失败会导致单阀组闭锁，对整流侧交流系统的波动影响较大，会造成滤波器切除。小功率运行情况下对整流侧交流系统的影响较小，不会切除滤波器。
4.2 运维措施优化建议（1）逆变侧换相失败会对整流侧站用电系统造成波动，因此对于站内双电源系统要充分考虑延时。对站内400 V重要负荷定值整定时，在考虑自身保护外，还要考虑400 V母线电压扰动的影响。
（2）在直流大功率运行工况下，应及时关注站内设备运行状态，检查阀外冷主泵、阀外冷风机、换流变冷却器、站用电系统运行情况及交流滤波器的投切状态。
（3）加强水冷、站用电系统和非电量保护管理，校核水冷保护定值的合理性及水冷保护、站用电备自投、主泵切换时间之间的关系，在交流系统暂态扰动情况下，避免出现双重化主泵全部切除导致直流闭锁的情况。
（4）加强换流阀及阀控系统管理。换流阀和阀控系统是直流输电系统核心设备，在运行过程中应高度重视丢脉冲、保护性触发、无回报等报警信号，及时查找缺陷隐患，提出整改消缺措施。
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