直流输电系统主要由两端换流站、直流滤波器、平波电抗器、直流线路和接地极等部分组成。直流输电系统双极运行方式下的原理接线如图16-43所示，其中两端换流器采用电压源简化表示，下面分析假设正极发生单极接地故障。
图16-43 直流输电系统双极运行方式下原理接线图
通过对向家坝—上海直流输电工程的仿真计算，得到故障极（正极）线路中点接地时健全极（负极）线路中点过电压波形曲线如图16-43所示，分别用A、B、C、D、E五个点来表征。从图16-44可以看出，健全极线路中点电压在正常工作电压下经过两次电压跃升后达到峰值。开始系统处于稳定运行状态，健全极线路中点电压约为-783kV，如曲线AB段所示；在6s时刻，故障极线路中点发生单极接地故障，健全极线路中点电压瞬间由-783kV直接跃升至-981kV，如曲线BC段所示；在曲线CD段，健全极线路中点电压由-981kV逐渐上升至-1055kV，该过程持续大约6.5ms（恰好为故障电流波从故障点传播至换流站端部再返回至故障点所需要的时间）；故障电流波返回至故障点瞬间，健全极线路中点电压发生第二次跃升，电压上升至-1254kV，如曲线DE段所示。
图16-44 故障极线路中点发生接地故障时健全极线路中点过电压波形
直流线路发生单极接地故障时，故障极上主要会发生两个过程：首先，接地瞬间一个与故障极电压幅值相同、极性相反的电压波由故障点向两侧换流站传播，使得故障极线路上的电压下降至零，并产生相应的电流波；接着，当波传到换流站两侧，故障极线路的直流滤波器主电容会对故障点开始回传放电的波过程，并在故障极沿线产生一个较大的脉冲放电电流。
假设故障极为正极，稳态运行时全线对地电容充电至U0=+800kV，此时若在线路中点发生金属性单极接地故障，故障极线路接地故障点电压瞬间由U0=+800kV下降为零。这就相当于有一个幅值为-U0的电压行波，它沿着故障极线路由故障点向两侧换流站同时开始传播，该行波在故障极线路的传播过程如图16-45所示。
图16-45 正极线路中点发生单极接地故障时故障极线路电压行波传播过程
考虑电压波-U0由故障点向左侧传播过程。通常电流、电压行波均以向右为正方向，故从故障点处向左侧换流站传播的电压波-U0是一个电压反行波，此时线路上产生的相应电流反行波为
式中，Z为波阻抗，i0为反行波在故障极线路上产生的电流。
仿真计算得到的故障极线路中点电流波形如图16-46所示。从图中可以看出，开始系统处于稳定运行状态，线路运行电流为额定电流4kA，如曲线AB段所示；随后，故障极线路中点电流发生两次跃升，在故障发生瞬间，由额定工作电流4kA跃升至6.38kA，如曲线BC段所示；故障发生约6.5ms后，故障极电流再一次由6.03kA跃升至6.50kA，如曲线DE段所示。实际上，第一次电流跃升是由向换流站传播的电压反行波-U0造成的，由参考文献[16，17]，可估算向上工程直流线路的波阻抗约为380Ω，代入式（16-2）可估算出故障极线路电流第一次跃升作用使线路电流上升至6.13kA，与仿真计算得到的6.38kA相接近，这也验证了故障瞬间确实是电压波-U0开始从故障点向两端换流站传播的过程；而第二次电流跃升是由故障极线路的直流滤波器主电容向故障点回传放电造成的，它的数值与主电容的大小直接相关（见后续分析）。
图16-46 故障极线路中点电流波形(www.xing528.com)
在故障点左侧附近，故障极线路与健全极线路电流对应关系如图16-47所示。可以看出，由于极线间的电磁耦合作用，与故障极线路电流的两次跃升（在额定电流+4kA的基础上正突变）相对应，健全极线路电流也会发生两次反向跃升（在额定电流-4kA的基础上负突变）。
直流系统在双极运行方式下，当一极发生接地故障时，故障极线路故障点处会产生同时向两端换流站传播的故障电压波（与故障极电压幅值相同、极性相反），并产生相应的故障电流波，由于极线间电磁耦合作用，该故障电流波电流突变处BC段会在健全极线路感应产生相应的反向突变脉冲电流B'C’，并对故障点附近的健全极线路对地电容充电，从而造成健全极线路电压的第一次跃升；接着，待波传到两侧换流站，故障极线路的直流滤波器主电容会对故障点放电并产生较大的突变脉冲故障电流DE段，同样由于极线间的电磁耦合作用，该突变故障电流也会在健全极线路上感应出反向突变脉冲电流波D'E’（它的大小主要由故障极线路直流滤波器主电容放电脉冲电流和极线间互感耦合系数共同决定），该反向脉冲电流波又会对故障点附近的健全极线路对地电容充电，导致健全极线路电压的第二次跃升。上述两次电压跃升叠加在该极对地正常工作电压上，从而在健全极线路形成较为严重过电压。另外，若单极接地故障发生在故障极线路中点，则由两端直流滤波器主电容放电所产生的第二次电压跃升会在健全极中点处同时产生叠加，产生最严重的单极接地故障过电压；若单极接地故障发生在故障极线路其他位置（非中点），则第二次电压跃升将不会在健全极线路发生同时叠加，此时产生的单极接地故障过电压没有前者严重。因此，故障极线路中点发生单极接地故障时，健全极线路上的过电压最严重。
由图16-47可以看出，在健全极线路上，故障点左侧会产生两次负的电流脉冲跃升（负突变），它对健全极线路（负极）对地电容反向充电，充电过程如图16-48所示，造成了健全极线路电压在额定电压（-800kV）基础上的两次跃升，其电流与电压的对应关系如图16-49所示。相类似地，在故障点右侧，健全极线路上会产生两次正的电流脉冲跃升（正突变），它也会对健全极线路（负极）对地电容反向充电，同样造成了健全极线路电压在额定电压（-800kV）的基础上的两次跃升。
图16-47 故障点左侧附近故障极线路与健全极线路电流波形
图16-48 故障点左侧健全极线路负的电流脉冲向线路中点对地电容充电
图16-49 健全极线路电流和电压波形
实际上，第一次的电压跃升，是由第一个过程——故障极线路接地瞬间向两端换流站传播的-800kV故障电压波产生的，一般无法进行控制；而第二次的电压跃升，是由第二个过程——故障极线路直流滤波器主电容对故障点放电的波过程造成的，可以通过直流滤波器主电容来加以控制。
仿真计算表明，直流滤波器主电容增大将直接导致单极接地故障过电压第二次跃升作用明显增加。在直流滤波器主电容值取为1μF、2μF、3μF和4μF四种情况下，故障极线路电流与健全极线路电流分别如图16-50和图16-51所示。可以看出，随着直流滤波器主电容增大，在故障极线路上产生的放电电流增大，因此通过极线间电磁耦合作用在健全极线路上产生的感应电流增大，从而导致该过电压上升，这也进一步验证了直流滤波器主电容值是单极接地故障过电压的关键影响因素。
图16-50 故障极线路电流与主电容关系
图16-51 健全极线路电流与主电容关系
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