中性母线是直流系统中运行电压最低的部分，在直流系统发生故障时，容易被系统其他部分影响而产生过电压。在中性母线上产生过电压的可能情况有[5-7]：
1）接地短路故障过电压
当整流站高端换流变Y/Y阀侧出线发生接地短路故障、阀顶发生接地故障、直流极线、直流母线等处发生接地故障时，中性母线上会产生过电压，如图16-25所示。该过电压主要会导致避雷器CBN2、EL或者EM动作，而避雷器E在该操作过电压下基本不起作用（动作电压比EL和EM都高，主要用于防护雷电过电压），故不在此讨论。
图16-25 中性线过电压故障示意图
需要注意的是，对于避雷器EL和EM，两者不同时接入直流系统，在直流系统以金属回线方式运行时，EM接入直流系统而EL不接入；以其他方式运行时，EL接入而EM不接入。
此外，当逆变站发生上述故障时，因运行在逆变状态下的换流器不输出能量，这些故障不会在中性母线上产生过电压。
2）断线故障过电压
当直流系统以单极大地回路运行时，如果一侧接地极引线发生断线故障，直流电流就会通过发生断线一侧的中性线接地极引线避雷器EL形成回路，造成发生断线的换流站中性母线上过电压，如图16-26所示。
图16-26 直流系统单极大地回路运行方式下断线故障示意图
当直流系统以单极金属回路运行时，如果金属回线发生断线故障，直流电流就会通过未接地一侧的金属回线避雷器EM形成回路，造成该换流站中性母线上过电压，如图16-27所示。结合图16-26可以看出，这两种过电压主故障回路在故障后是相似的，直流电流都是通过未接地一侧的换流站中性母线上避雷器（EL或EM）流回换流器。
图16-27 直流系统金属回路运行方式下断线故障示意图
上述过电压主要导致避雷器EL或者EM动作，但避雷器CBN1、CBN2和E基本不起作用，原因在于CBN1、CBN2和E动作电压均比EM、EL高。
综上所述，在中性母线过电压情况下，需要重点研究避雷器CBN2、EL和EM。根据这三种避雷器在中性母线上的安装位置不同，可分为平波电抗器阀侧避雷器CBN2和线路侧避雷器EL/EM两类避雷器，下面分别进行具体讨论。
16.5.2.1 仿真计算条件
1）接地短路故障过电压
根据上一章直流系统介绍部分内容，特高压直流输电系统主要有三种运行方式：双极运行、单极大地回路和单极金属回线运行方式。其中在双极运行和单极大地回路运行两种方式下，其两端换流站都通过接地极引线直接接地；而在单极金属回线运行方式下，则有一端换流站不接地，一般情况下在工程中不接地的换流站通常固定不变，如向家坝—上海±800kV特高压直流工程中，复龙换流站在单极金属回线运行方式下不接地，而奉贤换流站则无论在任何运行方式下都接地。
因此，在仿真复龙站中母线过电压时，过电压工况选择单极金属回线运行方式，因在该方式下，复龙换流站不直接接地，其中性母线过电压会更严重。而在计算奉贤换流站中性母线过电压时，则因该换流站始终接地，无论在何种运行方式下，中性母线过电压差别不大。
复龙换流站中性母线上最严重过电压工况为：直流系统运行于单极金属回线方式下，直流电流为最大电流，功率正向输送，最高端Y/Y换流变阀侧出线发生单相接地故障（或阀顶、直流极线、直流母线等处发生接地故障），故障发生后直流系统控制保护动作，故障极停运。在该站主要考虑避雷器CBN2和EM上的过电压。
奉贤换流站中性母线上最严重过电压工况为：直流系统运行于功率反送的方式，输送功率为最大功率，最高端Y/Y换流变阀侧出线发生单相接地故障，故障发生后直流系统控制保护动作，故障极停运。因奉贤站始终接地，主要考虑避雷器CBN2和EL上的过电压。
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，并考虑中性线避雷器CBN2、EL和EM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，找出中性母线避雷器上过电压最严重情况。
2）断线故障过电压
根据前述讨论，直流系统以单极大地回线运行方式下发生接地极引线断线故障和采用单极金属回路运行方式下发生金属回线断线故障造成的中性母线过电压是相似的，故可取其中一种运行方式作为最严重典型工况进行仿真计算讨论。仿真中设置直流系统单极大地回路运行，直流电流为最大电流，功率正向输送，将整流侧接地极引线断开，直流系统在故障发生一段时间后直流控制保护系统动作合HSGS开关，同时整流侧发系统停运信号。
该过电压情况与故障发生时刻无关，而与故障发生后直流系统保护动作时间直接相关，仿真中取10ms、20ms和30ms的不同保护动作时间进行计算比较，并考虑避雷器EL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。
16.5.2.2 仿真计算结果
1）接地短路故障过电压
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过电压计算为例。对于复龙换流站以整流状态运行，计算了高端换流变Y/Y阀侧出线接地、阀顶接地和直流极线接地三种故障下的中性母线过电压。
避雷器CBN2的计算结果如表16-13所示。由计算结果可以看出，阀顶接地和直流极线接地故障下避雷器CBN2上的过电压不如高端换流变Y/Y阀侧出线接地故障，故避雷器CBN2上最严重过电压工况是高端换流变Y/Y阀侧出线接地故障，此时其两端最大过电压为425kV，避雷器CBN2通过的最大能量为11.1MJ。图16-28中波形为复龙站避雷器CBN2中通过能量最大时两端过电压、避雷器中流过电流和能量波形。
表16-13 避雷器CBN2两端过电压与能量计算结果
图16-28 最高端Y/Y换流变阀侧出线接地故障下复龙换流站避雷器CBN2上的过电压及能量波形
避雷器EM的计算结果如表16-14所示。由计算结果可以看出，阀顶接地和直流极线接地故障下避雷器EM上的过电压不如高端换流变Y/Y阀侧出线接地故障，故避雷器EM上最严重过电压工况是高端换流变Y/Y阀侧出线接地故障，此时其两端最大过电压为379kV，避雷器EM通过的最大能量为11.8MJ。图16-29中波形为复龙站避雷器EM中通过能量最大时两端过电压、避雷器中流过电流和能量波形。
表16-14 中性线避雷器EM/EL过电压及能量计算结果(www.xing528.com)
图16-29 最高端Y/Y换流变阀侧出线接地故障下复龙换流站避雷器EM上过电压及能量波形
另外，此处需要重点注意的一点是，对于直流极线接地故障形成的中性母线过电压，因直流系统对该故障的保护策略一般是移相一段时间待线路去游离后重启，重启发现故障依旧存在时停止直流系统，在永久性故障的情况下就相当于连续对中性母线进行了两次过电压冲击，故该故障过电压下中性母线避雷器的通流容量是单次过电压能量的2倍。以复龙站避雷器EM为例，表16-14中计算得到该避雷器在直流极线接地故障时最大流过的过电压能量是11.1MJ，故该避雷器的通流容量应为11.1MJ的2倍以上，即应大于22.2MJ。
对于奉贤换流站，当以整流状态运行时（直流系统功率反送运行方式），其避雷器CBN2上最严重过电压工况也是高端换流变Y/Y阀侧出线接地故障，此时其两端最大过电压为419kV，能量为0.99MJ。避雷器EL上最严重过电压工况也是高端换流变Y/Y阀侧出线接地故障，此时其两端最大过电压为291kV，能量为2.63MJ。这两个计算结果远小于复龙站的计算结果，原因在于奉贤站无论何种运行方式，其中性母线都通过接地引线接地。
2）断线故障过电压
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过电压计算为例，相应计算结果如表16-15所示。计算结果表明：复龙换流站该故障下避雷器EL两端最大过电压为288kV，避雷器EL通过的最大能量为26.6MJ。图16-30中波形为复龙站避雷器EL中通过能量最大时两端过电压、避雷器中流过电流和能量波形。
表16-15 直流系统断线故障不同保护动作时间情况下复龙换流站EL上过电压计算结果
图16-30 直流系统断线故障保护动作时间10ms情况下复龙换流站EL上的过电压计算结果
由表16-15中计算结果可以看出，直流系统发生断线故障时，直流系统保护动作时间越短，EL避雷器上积累的过电压能量就越少。该故障能量与保护动作时间直接相关，对该过电压的保护要求尽可能快地投入快速接地开关（HSGS）。
16.5.2.3 过电压机理分析
下面将对接地短路故障过电压和断线故障过电压机理分别进行分析讨论。为讨论方便起见，以下分别以最高端Y/Y换流变阀侧出线套管发生单相接地故障和直流接地极引线断线故障为例进行具体分析。
1）最高端Y/Y换流变阀侧出线发生单相接地故障
该故障造成的中性母线过电压按发展机理可分为两个阶段：①由整流侧换流器提供能量；②由金属回线续流提供能量。两个阶段的过电压产生机理不同，其原理图分别如图16-31、图16-32所示，图中左侧为电路图，右侧为等效原理图。其中，左侧电路图中除最高端6脉动换流器外，下面三个6脉动换流器等效为右侧原理图中一个直流电源，如图中箭头所示。下面分别对每个阶段进行分析。
图16-32 最高端Y/Y换流变阀侧出线发生单相接地故障造成中性母线过电压第二阶段原理图
（1）由整流侧换流器提供能量的第一阶段
最高端Y/Y换流变阀侧出线发生单相接地故障时的波形如图16-33所示，故障发生在时刻a（0.021s）。故障发生之后系统等效电路如图16-31右侧所示，故障点为接地点，最高端换流变相当于一个交流电源，最高端换流器最下一层阀相当于图右侧中的晶闸管，除最高端6脉动换流器外，另外三个6脉动换流器相当于三个叠加起来的直流电源。此时，上述等效交流电源与直流电源叠加形成一个一端通过故障点接地、一端接在中性母线上的过电压电源，该电源通过大地形成回路加在中性母线避雷器CBN2和EM两端，造成这两个避雷器上的过电压。由波形图16-33中可以看到，因该过电压电源极性为正，该电源高压端接地，低压端接在中性母线上，使得该阶段避雷器CBN2和EM上过电压极性为负。到了时刻b（0.03s），此时系统直流电流因保护系统动作降至零，即波形图中测点1所测得的中性母线阀底电流在时刻b时降低为零。直流换流器换流阀在此时刻关断，此时第一阶段中提到的过电压电源不再与中性母线构成回路，第一阶段过电压消失。该阶段的过电压能量与直流系统故障时输送的容量直接相关，输送的容量越大，这一阶段的过电压能量也越大。
图16-31 最高端Y/Y换流变阀侧出线发生单相接地故障中性母线过电压第一阶段原理图
（2）由金属回线续流提供能量第二阶段
如波形图16-33中所示，时刻b时金属回线上电流尚未降低至零，即测点3测得的电流在时刻b时不为零，金属回线上的残余电流就造成了中性母线上过电压第二阶段。在这一阶段，因换流阀已关断，金属回线残余电流只能通过中性母线上连接的避雷器与大地形成回路进行续流，因金属回路残余电流方向是从线路流向中性母线，使得中性母线电压由第一阶段的负极性过电压逐渐升高为正极性并形成正极性过电压。这个正极性过电压形成了避雷器CBN2和EM上的第二阶段过电压，与第一阶段过电压极性相反。该过电压能量与金属回线分布电感中的残余能量直接相关，金属回线长度即直流线路长度越长，故障发生时直流电流越大，第二阶段过电压的能量越大。
图16-33 最高端Y/Y换流变阀侧出线发生单相接地故障造成中性母线过电压相关波形图
综上，该过电压由两个阶段组成。第一阶段过电压能量与直流系统故障时输送的容量直接相关，输送的容量越大，这一阶段的过电压能量也越大；第二阶段过电压能量与金属回线上的残余能量直接相关，金属回线长度即直流线路长度越长，故障发生时直流电流越大，第二阶段过电压的能量越大。
另外，对于逆变侧发生该故障的情况，因逆变侧无法向直流线路侧输出能量，从而不能形成上述第一阶段中提到的过电压电源；且逆变侧由于中性母线始终与接地引线相连接，而接地引线长度远小于直流线路长度，其上残余电流不足以形成中性母线第二阶段过电压。因此，该故障发生在逆变侧不会造成中性母线过电压。
阀顶接地故障和极线接地故障造成中性线过电压的机理与高端换流变Y/Y阀侧出线接地短路故障下的中性线过电压机理相类似，但这两种故障造成的过电压流过CBN2中的能量相对前者小一些，在此不再讨论。
2）直流线路断线故障
直流线路断线故障示意图如图16-26、图16-27所示，当直流系统以单极大地回路或者单极金属回线运行时，如果一侧接地引线或者金属回线发生断线故障，直流电流就会通过发生断线一侧的中性线接地极引线避雷器EL或者金属回线避雷器EM形成回路，即将避雷器接入了整流侧—逆变侧这个电流循环回路中去，由于直流系统整流侧控制策略为定电流控制，因此该故障造成的过电压相当于将一个电流源与中性母线避雷器EM/EL串联，故在该过电压作用下，避雷器中流过的能量与该过程持续时间成正比。
16.5.2.4 过电压控制保护措施
对于整流站发生最高端Y/Y换流变阀侧出线单相接地故障、阀顶接地故障造成的中性线过电压，其相应的直流保护动作均为直流系统紧急停机。在采用紧急停机保护条件下，该过电压只能通过尽可能降低中性母线避雷器CBN2、EM和EL的保护水平去限制其危害，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。
对于直流极线接地故障形成的中性母线过电压，直流系统对该故障的保护策略一般是移相一段时间待线路去游离后重启，重启发现故障依旧存在时才停止直流系统。在采用移相重启的保护策略时，该过电压只能通过尽可能降低中性母线避雷器CBN2、EM和EL的保护水平来限制该过电压的危害，但是该过电压下通过避雷器的能量通常较大，需要采取多柱避雷器并联的方式来满足能量要求。
对于直流系统断线故障，保护动作时间越短，该故障造成的过电压能量就越小，故在判断出发生断线故障后，保护应尽快动作合上站内快速接地开关（HSGS），以限制该过电压的危害。
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