换流变压器是直流输电系统中的重大技术装备,为了从根本上解决传统直流输电网侧滤波所不能解决的谐波与无功对换流变压器的不良影响,“自耦补偿与谐波屏蔽换流变压器”(简称新型换流变压器)以及相应的感应滤波技术被提出,并获得了专利。目前该专利的推广应用已获得湖南省“十五”、“十一五”重大科技专项(05GK1002-1)、(06GK1003-1)以及国家自然科学基金(50907018)资助。为了实现该专利的工程化,需要完成大量的理论分析和科学试验工作。由于换流变压器的可靠性与可用性对于整个直流输电系统来说很关键,其安全运行与否,将直接关系到整个直流输电系统能否连续、可靠和稳定地工作。因此本论文围绕着新型换流变压器的故障建模和保护原理开展了下面的研究工作：详细研究了新型换流变压器的接线方案、结构型式及其工作原理。分析了直流输电新技术研究平台的构造以及平台各部分的功能,并介绍了新型换流变压器和与之配套的滤波装置的参数。基于直流输电新技术研究平台,对传统直流输电以及基于新型换流变压器的直流输电系统在谐波抑制、节能降耗、减振降噪、改善换相方面进行了实验对比研究,对比结果表明基于新型换流变压器的直流输电系统相对于传统直流输电在这些方面具有明显的优越性,从而表明了新型换流变压器原理的正确性,具有良好的应用前景。与传统的换流变压器相比,新型换流变压器具有独特的绕组联结方式,而在现有的电力系统仿真软件中所用的均是传统意义上的变压器模型,没有具有特殊绕组联结方式的新型换流变压器仿真模型。本论文基于互耦的概念,把新型换流变压器看作多个线圈的耦合,从而建立了新型换流变压器的多线圈耦合模型。在此基础上,根据新型换流变压器特殊的接线方式,结合有限元仿真软件,采用MATLAB里的多线圈耦合模块分别设计了新型换流变压器正常状态和发生内部故障时的仿真模型,并设计了非线性电感支路来模拟新型换流变压器铁心饱和特性,从而设计出能仿真新型换流变压器正常运行、内外部故障、励磁涌流的通用仿真模型。新型换流变压器具有特殊的绕组连接方式,因此需要研究合适的数学方法来推导新型换流变压器正常状态和内部故障数学模型,并计算其任意的内外部短路故障。电网络分析中的稀疏列表法和添加法在建立电网络方程方面各有特色,但是关于如何应用稀疏列表法或添加法建立含互感支路的电网络方程以及根据节点或支路的变化应用稀疏列表法或添加法形成新网络方程的方法目前还没有相关文献介绍。本论文将新型换流变压器看作含互感支路的网络,根据新型换流变压器特殊的绕组连接方式和相应的耦合电路,首次分别将稀疏列表法和添加法应用于建立含互感支路的电网络方程,从而建立了新型换流变压器正常状态的基本数学模型。为了便于在实际工程中灵活运用,对基本模型进行拓展,建立了更为详细的计及中性点接地阻抗的节点拓展模型、计及副边角接三角形绕组抽头处滤波装置的支路拓展模型。基于所建立的正常状态数学模型,根据电网络有向图节点或支路的变化,分别采用稀疏列表法和添加法建立了新型换流变压器内部故障数学模型而且对新型换流变压器各种内外部短路故障进行了计算。在研究常规变压器差动保护原理的基础上,对新型换流变压器差动保护原理进行了研究。在分析新型换流变压器绕组接线方案和三绕组之间特定匝比关系的基础上,根据新型换流变压器是否接滤波装置,分别推导出了相应的新型换流变压器两侧电流关系,进而分别提出两种差动保护接线的理论方程式,据此给出了相应的模拟式和微机式差动保护接线方案图。详细对比分析了新型换流变压器正常运行、内外部故障状况时两种保护接线方案的动作特性,并根据差动保护方案动作特性分析结果选择出适合新型换流变压器的差动保护接线方案。对新型换流变压器励磁涌流产生机理进行了研究,并从电路基本原理的角度对励磁涌流有可能引起新型换流变压器差动保护方案误动的根本原因进行了分析,鉴于差动保护方案在鉴别新型换流变压器励磁涌流方面的不足,对一种抛开差动保护思路、综合利用变压器电压和电流信息量的新型微机型变压器保护方案—基于模型的变压器保护原理进行了研究,在数学推理验证该保护原理同样适用于新型换流变压器的前提下,将该保护原理的思路运用于新型换流变压器保护方案设计中,从而制定了基于模型的单相和三相新型换流变压器微机主保护方案。考虑到微机保护工作时用差分代替微分引起的误差可能会使新型换流变压器保护误动,对已建立的保护判据动作特性方程进行梯形积分来构成新的保护判据。