在大容量、远距离电能传输及区域性电网互联等方面,高压直流输电(High Voltage Direct Current,HVDC)技术具有显著优势,在我国应用前景十分广阔。接地极系统作为HVDC系统的重要组成部分,主要负责钳制中性点电压及作为系统不平衡电流的引流通路。接地极线路长,输电走廊环境复杂,雷雨频繁,故线路的故障率高。随着HVDC技术的发展应用,接地极线路故障对电力系统的潜在威胁不容小觑。因此,研究接地极线路保护方案及故障定位方法,对保证电力系统运行的安全稳定性极具工程意义。为此,论文围绕HVDC系统接地极线路现有的保护在远端、高阻故障时灵敏度低及故障定位精度不高这两个关键问题开展研究,主要工作有:1)高压直流输电接地极系统特征谐波分析。依据西南-华东某直流输电工程在PSCAD/EMTDC中搭建了含有接地极系统的双极HVDC系统仿真模型,在此基础上详细分析了正常工况下接地极系统电气信号中特征谐波成分、含量等特性,为研究接地极线路故障信号的时频域特征奠定基础。理论及仿真研究表明,接地极系统电气信号中含有丰富且稳定的特征谐波信号,其中12次谐波的含量在各次特征谐波中处于主导地位。2)接地极线路故障特性分析。考虑HVDC系统接地极线路的运行特点,从理论及仿真两个方面分析了接地极线路在不同故障工况下各电气量的时频域响应特性。结果表明,接地极系统电气信号的特征谐波中包含着丰富的故障信息;随着故障距离和过渡电阻增大,传统不平衡保护所采用的线路差流特征明显减弱,而接地极线路电气量的特征谐波分量仍较为显著,且随故障距离和过渡电阻的变化呈现出特定的规律。3)针对接地极线路传统的不平衡保护在远端、高阻接地故障时灵敏度低的问题,提出了一种基于特征谐波测量阻抗的新型保护方法。首先,基于接地极系统等效电路模型,提出了特征谐波测量阻抗的定义及计算方法,并对接地极线路故障前后特征谐波测量阻抗响应特性进行了理论推导。由分析结果可得,故障会导致两条接地极线路的特征谐波测量阻抗幅值出现明显差异,且该特征受故障距离、过渡电阻等因素影响较小,故构造了基于特征谐波测量阻抗幅值比的保护判据。最后通过仿真验证该保护判据在不同故障工况下的适应性和有效性。仿真结果表明新方法的保护范围接近线路全长,具有较强的抗噪声干扰能力和耐过渡电阻能力。4)针对现有的接地极线路定位方法在高阻接地故障时存在精度低的问题,提出了一种基于特征谐波测量阻抗的故障定位新方法。在对特征谐波测量阻抗特征进行分析的基础上,根据特征谐波测量阻抗幅值比判定故障支路,进而利用由特征谐波阻抗方程推导得到的故障距离表达式实现故障定位。最后通过仿真验证不同工况下定位方法的有效性和可靠性,结果表明本文所提方法在线路发生高阻接地故障时仍能可靠判定故障支路,定位方法从原理上消除了过渡电阻对定位结果的影响,且求解过程理论上不出现伪根,算法实现简单,在接地极线路全线范围内具有较高的测距精度。论文分析了HVDC系统接地极线路故障信号的特征谐波响应规律,并探讨了利用线路特征谐波测量阻抗特征实现接地极线路保护和故障定位的方法,在一定程度上改善了现有的接地极线路保护在远端、高阻故障时灵敏度低及故障定位精度不高的问题,有望为HVDC系统接地极线路保护和故障定位的相关研究提供理论和技术支持。