换流器作为高压直流输电系统的核心元件,实现着交直流变换的重要功能,为其设计可靠的保护与故障定位方案有利于交直流系统的安全稳定与高效运行。然而,实际工程与现有研究在换流器保护与故障定位方面存在着一定问题,主要为:(1)现场运行经验表明,换流器保护误动作事故时有发生,且换流器保护的误动作将导致直流输电系统误闭锁,这将增加电网的大停电风险。然而,现有研究提出的换流器保护优化方案降低了保护的速动性或灵敏性等特性。(2)实际工程对换流器主保护的设计给换流器故障定位带来了三大难点,一是换流器的一种主保护负责响应多种故障,如换流器区内的所有接地故障都将使换流器直流差动保护动作;二是换流器主保护动作迅速,使得故障持续时间较短,定位可用的故障电气数据量较少;三是换流器主保护还可能动作于区外故障,这增加了对换流器故障定位的干扰。然而,现有研究中的换流器故障定位方案存在两大问题,一是利用了故障后较长时间的电气特征,未考虑电气特征受保护的作用迅速发生变异甚至消失这一现实问题,二是未考虑保护对区外故障的响应情况,故障定位的可靠性存在一定的问题。因此,本文围绕实际工程需求,以研究不影响保护速动性与灵敏性等特性的换流器保护优化方法与可靠的换流器故障定位方案为目标,开展了以下研究工作:(1)分析换流器主保护与后备保护的适应性。在换流器主保护适应性分析方面,考虑直流差动保护的整定判据和动作策略两大因素,分析换流器主保护在区外故障下的适应性;在换流器后备保护适应性分析方面,分析换流站区外交流线路故障和区内故障的相似电气特征与后备保护整定判据之间的关系,同时考虑换流器后备保护与交流线路后备保护在交流线路故障下的动作时序,研究换流器后备保护的适应性。(2)研究不影响保护速动性与灵敏性的整流器后备保护优化方案。基于整流器后备保护在整流站区外交流线路故障下的误动作原因,设计整流器后备保护的优化方案。具体思路为:分析整流站区内外故障的换流母线电压故障分量与送电交流线路末端电流故障分量的极性特征,并利用向量夹角余弦对电压与电流故障分量的极性特征进行表征,从而给出基于最大电压故障分量与电流故障分量夹角余弦值的整流站区内外故障的识别判据,进而设计基于故障识别的整流器后备保护与交流线路后备保护的协调配合策略,以防止整流器后备保护在整流站区外故障下误动作。(3)研究不影响保护速动性与灵敏性的逆变器后备保护优化方案。基于逆变器后备保护在逆变站区外交流线路故障下的误动作原因,设计逆变器后备保护的优化方案。具体步骤为:分析逆变站区内与区外故障的行波特征,并基于此利用最小电压前行波与电压反行波幅值积分比值构造逆变站区内外故障的识别判据,进而考虑逆变器后备保护与区外交流线路后备保护在时间上的协调配合,设计防止逆变器后备保护在区外故障下误动作的策略。(4)研究考虑直流差动保护对故障的迅速作用及其对区外故障响应情况的换流器接地故障定位方案。以高压直流输电系统送端换流器(整流器)为研究对象,分析送端换流器区内外可使直流差动保护动作的故障的电气量时空特征,并在考虑保护与控制作用对故障电气特征影响的基础上,基于故障电气特征变异前的数据设计故障分类判据,进而提出基于直流差动保护动作的换流器故障定位方案。