基于电网换相的高压直流输电（line commutated converter-high voltage direct current,LCC-HVDC）系统具有线路造价低、输电调节迅速、线路故障恢复能力强等诸多优点,在远距离、高电压、大容量输电等工程应用十分广泛。换相失败是直流输电系统发生概率较高的故障之一。目前换流变压器大多采用基于二次谐波制动原理的差动保护,但由于换流变压器处于交、直流系统耦合的重要位置,受其共同作用,并且换相失败发生之后,注入大量谐波,这就对传统保护产生较大影响。换流变压器的安全可靠运行对整个系统运行至关重要。所以高压直流输电系统下换相失败及其对换流变压器差动保护的研究具有十分重要的意义。首先,在PSCAD/EMTDC仿真平台搭建高压直流输电系统模型,分析了整流侧以及逆变侧的控制策略。分析了换相过程,之后进一步研究换相失败的机理,在阀层面对换相失败进行分类。对换相失败的影响因素进行理论分析,对换流变压器连接方式、故障发生时刻、故障类型以及过渡电阻对换相失败的影响进行仿真验证。其次,分析了基于二次谐波制动的比率式差动保护的原理,通过叠加开关函数法对逆变器交流侧等值电流谐波含量进行分析,得到换相失败期间可能会有大量的直流分量注入换流变压器,引起换流变压器谐波特性的改变。将YNy接线换流变压器阀侧故障分为故障相共阳极阀导通与故障相共阳极阀未导通两种情况,构建相应电流回路,分析了故障伴随换相失败后电流中的直流以及谐波含量,得到阀侧接地故障伴随换相失败,差动保护延时动作甚至拒动;将换流变压器网侧分为网侧故障伴随换相失败与未伴随换相失败两种情况,得到此时对差动保护的影响较小;对于外部故障伴随换相失败,对差动保护没有影响。最后,针对高压直流输电系统中换流变压器二次谐波制动差动保护存在延迟动作甚至拒动的问题,提出了改进的差动保护方案。对不同工况下换流变压器发生内部故障且伴随换相失败和励磁涌流时中性点侧零序电流谐波进行分析,将内部故障分为两类:第一类内部故障为基波和三次谐波均较大的故障,第二类内部故障为三次谐波较小的故障;涌流时三次谐波较大且基波小于第一类内部故障,根据这一特点,本文构建了基于于中性点侧零序电流基波和三次谐波分量幅值的换流变压器差动保护新方案。通过大量仿真验证了所提出方案的有效性,仿真结果表明:该保护不受换相失败的影响,且同时适用于YNy接线和YNd接线换流变压器;内部故障时,该保护能正确动作;励磁涌流时,该保护能够可靠不动作。