输电线路故障是直流系统最常见的故障之一,是直流系统设计必须考虑的严重故障类型,对设备参数、控制策略和保护配置具有重要影响,这也是传统高压直流输电和新型柔性高压直流输电的共性问题。一方面,对于传统高压直流输电线路,由于复杂的系统网络拓扑和涉及到高频现象,从定量角度,缺乏有效的故障分析与保护评价方法,单纯依赖实际直流工程数值仿真的研究模式存在计算精度和计算效率相互矛盾的突出问题;另一方面,对于新型柔性高压直流系统,仅依赖跳交流断路器切断直流故障电流的方式严重降低系统可用率,缺乏对现有工程较为完善的处理直流故障的保护方案。本文结合我国直流输电工程重大需求,在直流线路故障快速计算、关键因素全局灵敏度分析、保护动作可靠性评估及柔性高压直流保护新原理等方面开展研究,选题具有重要的学术价值和工程实用意义。本文主要工作包括:1、为缓解传统数字电磁暂态仿真精度和效率之间的突出矛盾,提出了一种用于高压直流线路短路计算的频率响应降序自适应分段匹配方法,以实现对故障行波的快速计算。所提方法首先需要依据实际网络拓扑、相关元件依频特性和故障边界条件提取相关参数的离散频率响应,通过对其由高频到低频分段进行匹配的方法,能够大大降低等值过程产生的累积误差;在各子频段上采用所提迭代次数和极点数自适应选择的方案,能够有效处理由直流线路故障的随机性和复杂性问题。算例表明,与传统数字仿真方法相比,所提方法在保持较高计算精度的同时,能够大大降低计算机用于多次实验的计算负担。2、结合实际工程的重大需求,研究实际直流线路主保护方案的保护原理、定值整定、保护逻辑,计及故障类型、故障距离、过渡电阻、保护采样时刻等不确定因素的影响,提出了一种基于Latin方抽样技术的高压直流线路短路故障行波保护动作概率计算与分析方法。算例以实际云广±800k V特高压直流输电工程中的行波保护方案为研究对象,分析了控制系统对主保护的影响机理,探明了故障条件中各因素对行波保护动作概率的影响程度,分析了运行方式变化带来的不利影响。3、过渡电阻是基于行波特性等暂态保护的关键影响因素。为了在理论上精确地揭示过渡电阻对行波的影响机理,同时能够提高计算效率,本文提出了一种全局灵敏度分析方法,能预测任何其他过渡电阻下的新行波。所提方法以直流工程的实际拓扑为基础,同时考虑了直流线路的依频特性,在相频域内推导了行波新值对过渡电阻的无穷泰勒级数和全局灵敏度系数;采用基于Thiele型连分式阶数估计技术和矢量匹配技术实现时频域的转换。该方法必须以给定(但不限定)故障条件下的一组行波数据作为行波初值,该组数据可由仿真获取。算例验证了所提方法的准确性和高效性。4、针对半桥式子模块的MMC-HVDC无法经济快速地处理直流侧故障的问题,提出了一种新型MMC-HDC直流线路故障时的快速处理方案。方案中双向晶闸管集中配置在交流侧,并与开关型零损耗限流装置相配合,同时对限流电抗器进行了合理设计;提出了该方案下的故障检测及恢复策略。算例表明,所提方案能够使保护具有快速抑制短路电流的能力,降低清除直流故障时对交流系统长时间的冲击。此外,方案仅需一次性投资即可,不会增加系统稳态运行损耗,可以对现有柔直工程直接进行改造。