换相失败是采用晶闸管换流阀的高压直流输电系统最常见的故障之一,会导致直流电流增大,直流电压降低,直流输送功率降低甚至中断。在高压直流输电应用初期,直流工程电压等级和输送容量通常不超过500kV和3000MW,高压直流输电作为一种新技术,直流系统送受端的短路比通常都大于3,由于交流系统强度高,换相失败对交流系统的影响并不突出。随着高压直流输电技术的发展和广泛应用,直流电压等级和输送容量不断提升,为解决受端系统潮流疏散和电压支持等问题,后续特高压直流工程将采用分层接入方式。随着±800kV/10000MW特高压直流工程相继投运,以及±1100kV/12000MW特高压直流工程计划投运,交流电网的相对强度将大幅下降,交直流耦合更为紧密,二者间的相互影响加剧;换相失败对交直流系统的影响也日益凸显,换相失败问题更为复杂。在某些工况下,常规预防换相失败策略已经不能满足运行要求,多个超/特高压直流输电工程运行出现了变压器励磁涌流和极间线路耦合引发的换相失败,随着直流电压等级和输送容量的提升,上述问题会越来越突出;此外,直流分层接入方式作为一种全新的结构,在某一层换流器发生换相失败后,如何避免同极另外一层换流器发生换相失败是一个新问题。针对特高压直流换相失败面临的新问题,亟需开展深入研究,提出预防换相失败的有效方法和措施。论文坚持理论研究与实际工程结合,针对特高压直流分层接入方式、极间线路耦合以及变压器励磁涌流引发换相失败的机理、特性和抑制措施进行了分析和研究,主要包括:针对换相失败的机理、特性以及故障过程进行了研究。定量分析了直流电流、换相电压、换相电抗等参数和关断角的约束关系,提出了各参数导致换相失败的临界指标;分析了各参数对关断角的灵敏度,通过综合考虑直流电流、换相电压及越前触发角等因素建立了关断角全微分方程,根据其解析式可清晰的反应出不同运行状态下直流输电系统抵御换相失败的能力,在此基础上,提出一种关断角全微分方程判断换相失败的方法,可用于多个变量变化时的换相失败判别。根据特高压直流分层接入系统特点并结合实际工程,建立了特高压直流分层接入系统的数学模型;并且在电磁暂态程序PSCAD/EMTDC中建立了 ±1100kV特高压直流分层接入500kV/1000kV交流系统的仿真模型,通过对模型稳态及暂态特性的测试,验证了仿真模型的有效性。结合国际大电网会议(CIGRE)提出的多馈入相互作用因子(MIIF),根据分层接入系统节点电压方程,推导并提出了直流分层系统间电压相互影响的计算方法;利用分层接入电压交互影响因子分析了分层接入系统层间耦合对换相失败的影响;基于分层接入电压交互影响因子,提出了高低端换流器预防换相失败的协调控制策略。该策略综合考虑了分层接入系统高低端换流器在交流侧的电压耦合以及直流侧串联结构的电流耦合的影响,解决了常规预防换相失败控制在分层接入系统下响应不一致的问题,提高了特高压直流分层接入系统抵御换相失败的能力。基于特高压直流分层接入系统电磁暂态模型验证了该策略的有效性和适应性。针对特高压直流一极故障导致非故障极发生换相失败,研究了双极直流线路间的电磁感应特性,提出了改进关断角控制与直流电压突变量原理相结合的预防换相失败控制策略。该策略基于直流极间耦合特性,根据非故障极上感应的直流电压和电流特征,改进关断角控制器,同时结合直流电压突变量指标判别故障极,通过补偿关断角,避免非故障极发生换相失败,该策略提高了故障极识别的响应速度,具有较强的工程实用性。基于特高压直流分层接入系统电磁暂态模型验证了该策略的有效性和适应性。针对大容量变压器励磁涌流引发的换相失败,研究了特高压大容量变压器空载合闸励磁涌流产生的机理和特性,提出了一种基于滑窗迭代谐波电压检测的预防换相失败控制策略。该策略根据特高压大容量变压器空载合闸时换流母线谐波电压特性,通过滑窗迭代离散傅里叶变换提取特征谐波,并根据谐波含量按比例补偿关断角,解决了励磁涌流衰减过程中基于零序电压检测的常规预防换相失败控制的局限性,避免了直流功率持续波动和换相失败。通过电磁暂态仿真和数模混合仿真验证了所提策略的有效性,该策略己在天山-中州特高压直流工程中得到应用。