16.4.1.1 仿真计算条件
避雷器V11/V1是上12脉动换流器最高一层阀避雷器，在整流站高压端Y/Y换流变阀侧出线发生接地短路故障时，直流线路和直流滤波器上的能量会通过上12脉动换流器最上层阀避雷器V11/V1释放，造成避雷器V11/V1两端经受较大的过电压及通过能量，该故障电路如图16-9所示。
图16-9 换流站高压端Y/Y换流变阀侧出线接地短路故障示意图
该过电压最严重工况为：直流系统处于于双极平衡运行方式，直流电压设定为最大值，如向上±800kV特高压直流工程中为809kV，直流电流设定为最小值，向上±800kV特高压直流工程中为363A，故障设定发生于A相出线。故障发生后直流系统控制保护动作，故障极停运。该过电压情况与故障发生时刻有关，仿真中通过选取不同的故障切除时刻，并考虑阀避雷器V11/V1的伏安特性偏差，分别采用最大保护特性和最小保护特性进行计算，找出阀避雷器V11/V1上过电压最严重情况。
另外，也有研究在该工况基础上，考虑双重故障这种更严重的情况，即发生上述故障时，对极也发生接地故障，从而使该极直流电压更高，故障时通过阀避雷器V11/V1上的能量更大。但实际工程中双重故障出现的几率很小，研究中通常可以不考虑双重故障情况。
在本节仿真计算中，为了讨论过电压的最严重情况，仍然选取考虑双重故障的最严重工况进行仿真计算作为算例。
16.4.1.2 仿真计算结果
以向家坝—上海±800kV特高压直流工程中送端复龙换流站该故障下的过电压计算为例，相应计算结果如表16-7所示。计算结果表明：复龙换流站该故障下阀避雷器V11两端最大过电压为377kV，避雷器V11通过的最大能量为7.12MJ。该故障为非对称性故障，A相出线接地短路造成C相上阀避雷器V11通过的能量最大，另外两相在该故障造成的过电压过程中通过的能量较小。图16-10中波形为C相阀避雷器V11中通过能量最大时的三相阀避雷器V11两端过电压、避雷器中流过电流和能量波形。
图16-10 复龙换流站阀避雷器V11最大过电压及能量波形图
当直流系统运行于功率反送状态时，即奉贤换流站作为整流侧，复龙换流站作为逆变侧运行时，奉贤换流站的阀避雷器V1两端最大过电压计算如表16-7所示。奉贤换流站该故障下阀避雷器V1两端最大过电压为368kV，避雷器V1通过的最大能量为5.86MJ。
表16-7 阀避雷器V11/V1最大过电压情况计算结果
16.4.1.3 过电压机理分析
该过电压工况是阀避雷器V11/V1的最严酷工况。根据上述计算结果及过电压波形，该过电压机理分析如下[3，4]：
1）该阀过电压属于同一层三个阀都关断后，阀两端电势发生突变造成的过电压。具体过程如下：
假设发生故障时VT1处于导通状态，如图16-11所示，该组阀的阴极a点与直流极线相连接，a点电压为直流极线对地运行电压。当VT1阳极b点发生接地短路时，将使b点电位下降，从而导致阀VT1因两端电压反向而关断。另外，由于直流极线对地运行电压比B相和C相对地电压高（因A相已接地，故B、C两相此时对地电压仅为换流变阀侧线电压，该线电压比直流线路运行电压低），使得该层其他两个阀VT3和VT5因两端电压始终处于反向状态无法导通，最终使三个阀都处于关断状态。
图16-11 整流侧与直流极线相连的6脉动换流器
此时，该层三个阀VT1、VT3和VT5都已经关断，与其并联的阀避雷器承受的电压是直流极线对地电压与换流变阀侧三相出线对地电压之差，其中两端电压差最大的阀避雷器吸收该过电压大部分能量，另外两个阀避雷器吸收少部分能量。因在不同故障时刻下，换流变阀侧三相出线对地电压是不同的，这会对三个阀避雷器中通过的能量直接产生影响。因此，需要在不同故障时刻进行仿真计算以确定最严重过电压工况。该故障引起的阀过电压与故障发生时刻直接相关。
2）该过电压不可能发生在逆变侧，分析如下：
首先假设故障发生时阀VT4处于导通状态，如图16-12所示，该组阀的阳极a点与直流极线相连接，a点电压为直流极线对地运行电压。当A相（VT4阴极b点）发生接地短路时，将使b点电位下降，此时阀VT4阳极a点电位高于阴极b点电位，两端电压仍为正向，故VT4不会关断仍将保持导通状态。当接地故障发生在B相或C相时，由于直流极线对地运行电压比三相对地电压都高，故a点电位始终将高于b点的阴极电位，即最上层阀VT2、VT4、VT6中至少会有一个保持导通状态。这样，在阀VT2、VT4、VT6两端并联的阀避雷器V1上电压不可能高于换流变阀侧线电压，即不会出现过电压。
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图16-12 逆变侧与直流极线相连的6脉动换流器
根据上述过电压机理讨论可知，该过电压幅值及能量由两个因素决定：一是直流极线上的电压与能量，二是故障发生时刻。
由前述直流系统运行参数可知，要得到阀避雷器V11的最严酷工况，应满足以下四方面的要求。
（1）直流系统极线电压应取最大值；
（2）直流线路分布电容上储存的能量在逆变侧换流阀关断后最大；
如图16-13和图16-14所示，可释放的残余能量由两个因素决定：直流线路分布电容储存的能量（该能量由直流线路长度和运行电压决定，通常是固定的）；在故障发生后、逆变侧换流阀关断前，直流线路会通过逆变侧释放能量，直流电流越大，直流线路通过逆变侧释放的能量越大。因此，为使直流线路分布电容上残余可释放的能量最大，直流电流应取最小。
图16-13 逆变侧关断前直流极线能量释放示意图
图16-14 逆变侧关断后直流极线能量释放示意图
（3）造成该阀过电压的交流相电压持续时间最长
该阀过电压由直流极线电压与换流变输出的交流三相电压中最低的一相共同作用形成，交流系统中三相电压交替变化，因此要使该相持续时间最长。以本节算例中A相发生接地故障为例，该时刻点应为B相和C相电压的交叉点（与极线电压极性相反，当故障极为正极时取负交叉点；当故障极为负极时取正交叉点）附近。
（4）换流变输出的三相交流系统短路容量最大
该短路容量参数由两个因素决定，一是交流侧系统短路容量最大；另一个是换流变等效阻抗最小，即换流变的变比应尽量小。因此，该故障极端仿真工况是换流站接入的交流系统为最大运行方式，且换流站交流母线电压为极端最小运行电压。
综上所述，阀避雷器V11上最严重过电压的计算条件为[3]：
（1）直流系统双极平衡运行；
（2）换流站运行在整流状态；
（3）直流系统运行电压取最大直流电压，向上±800kV特高压直流工程中为809kV；
（4）直流电流取最小运行电流，向上±800kV特高压直流工程中为363A；
（5）换流站交流系统电压取最小，向上±800kV特高压直流工程中复龙站为475kV。
16.4.1.4 过电压控制保护措施
该过电压是特高压直流系统阀避雷器过电压中最严重的过电压，因此系统中该阀避雷器的并联柱数也最多，通流容量也最大。
该过电压的发展过程与直流系统的保护策略关系不大，只能通过尽可能降低阀避雷器V11/V1的保护水平来限制该过电压的危害，但是避雷器保护水平的降低会导致故障下避雷器通流容量的增加，通常通过多柱避雷器并联来满足能量要求。
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