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（1）暂态开断电压（Transient Interruption Voltage，TIV）
在开断过程中，高压直流断路器两端电压，暂态开断电压高于系统电压值。TIV不同于TRV，TIV用于在电流过零前将电流转移到能量吸收回路，能量吸收回路将电流限制到零点。
（2）暂态开断电压峰值（Transient Interruption Voltage Peak，Peak TIV）
在开断过程中，暂态开断电压TIV的峰值。
（3）预期电流（Prospective Current）
断路器不发生作用下的系统短路故障电流称为预期电流。
（4）故障电流峰值（Peak fault Current）
开断过程中短路故障电流的最大值称为故障电流峰值。
（1）检测时间（Detection Time）
检测时间为故障开始到本地保护继电器发现故障动作的时间，检测时间为中继时间（Relay Time）的一部分。
（2）选择时间（Selection Time）
选择时间为保护系统决定哪一个断路器动作的时间。当选中断路器动作时选择时间结束。选择时间也为中继时间（Relay Time）的一部分。
（3）中继时间（Relay Time）
中继时间为故障发生到选定的断路器动作的时间，中继时间为检测时间和选择时间的总和。
（4）断路器操作时间（Breaker Operation Time）
断路器操作时间为从向断路器发出动作命令到暂态开断电压TIV开始上升的时间。断路器操作时间为内部电流交换时间（Internal Current Commutation Time）的一部分。对机械式直流断路器，断路器操作时间为断路器分闸时间和燃弧时间之和；对电力电子断路器，断路器操作时间为电力电子开关动作时间。
（5）电压上升时间（Voltage Rise Time）
电压上升时间为断路器建立反向电压降低故障电流的时间，即电流转移到能量吸收支路的时间。电压上升时间为断路器内部电流交换时间的一部分。全固态式直流断路器的断路器操作时间极短，电压上升时间与断路器内部电流交换时间相同。对大多数直流断路器，在电流完成最后交换时，电压上升时间开始。
（6）内部电流交换时间（Internal Current Commutation Time）
内部电流交换时间从断路器开始动作到暂态分断电压达到峰值时结束。对大多数高压直流断路器，当电流转移到能量吸收支路时暂态分断电压达到峰值。对全固态式直流断路器，内部电流交换时间与电压上升时间相同。
（7）故障中和时间（Fault Neutralization Time）
故障中和时间为从故障电流开始到短路故障电流开始下降（即故障电流峰值）的时间。由于高压直流断路器产生的反向电压可以有效地中和故障，因此在短路故障电流峰值后直流系统无故障部分的电压开始恢复。故障中和时间也称为流过断路器的故障电流上升时间。电压上升时间通常比故障电流上升时间小很多，故障电流峰值瞬间与TIV峰值瞬间通常相差很小，在此情况下，将故障中和时间定义为故障从故障电流开始到TIV峰值时间。
（8）故障电流抑制时间（Fault Current Suppression Time）
故障电流抑制时间为从故障电流峰值到电流减少到不高于泄漏电流幅值的时间，故障电流抑制时间的截止为流过断路器的电流值能被相串联的机械隔离开关打开。
（9）开断时间（Break Time）
开断时间是指从断路器接收到动作信号到电流幅值降低到泄漏电流以下的时间。
（10）总开断时间（Interruption Time）
总开断时间是指从故障发生到电流幅值降低到泄漏电流以下的时间。
高压直流断路器开断额定电流，在断路器接到开断命令后，电流从主通流支路逐渐转移到能量吸收支路。当系统中感性能量被高压直流断路器消散后，流过断路器的电流减小到泄漏电流幅值。可能需要一个剩余电流开关去开断剩余电流，限制能量吸收装置的热应力。
由于高压直流系统的阻抗很小，短路故障电流的上升率比交流系统高得多，极大的短路电流将会损坏系统设备，并导致系统长期中断运行。本节介绍LCC（电网换相换流器）和VSC（电压源换流器）高压直流系统和混合交流/直流系统短路的现象。
1.短路电流
图3-18为发生短路故障时的单线高压直流系统，高压直流换流器将系统分为直流部分和交流部分。交流线路包括交流源、变压器和线路阻抗等，直流部分为点对点系统或多端系统，主要包括直流断路器、线路电阻、线路电抗和线路电容。可能的开断电流 I fault 包括交流部分电流 I AC 和线路电容放电电流 I line 。高压直流系统短路电流故障的暂态发展过程由诸多系统参数和故障参数决定。
图3-18 发生短路故障时的单线高压直流系统拓扑图
在短路电流故障的初始暂态发展过程中，通常为故障发生后的10ms内，以下参数最为重要，影响了关联电容的放电特性：
1）线路电容（如电缆的电容或架空线路的电容值）和系统的寄生电容；
2）故障点与断路器之间的距离；
3）故障线路相连母线上连接的线路个数和长度；
4）直流系统电抗器的值与线路分布电感的值（电缆或架空线路的分布电感值）；
5）线路电阻和线路接地方式；
6）线路拓扑结构和故障地点。
上述参数对故障电流定性的影响为系统电容越大，连接电缆数量越多，初始电容放电电流越大。直流系统回路电阻越大，故障电流峰值越低。故障点与断路器之间的电缆长度对系统回路电阻影响较小，系统接地方式和故障电弧电阻对系统回路电阻影响较大。短路电流回路的电感值越大，短路故障电流的上升率越低，但回路的电感值不影响短路故障电流峰值。回路电感是降低短路电流上升率的有效方式，由于电感值的不同，架空线路故障电流上升率低于电缆系统。
当短路故障刚发生时，故障电流波形主要由系统限流电感值决定。原因为故障电流主要来自于直流电缆电容的放电电流，该电流将流过电流限制电抗器。因此，电感值大的限流电抗器能限制故障电流上升率，降低高压直流断路器的开断要求，在故障电流达到峰值前即能开断电流。线路中的直流熔断器和直流超导限流器能降低直流系统短路故障电流的上升幅值 [68] 。
直流侧电容放电使直流系统电压跌落，导致过电流流过换流站，换流站中的IGBT器件因自我保护闭锁，IGBT的过电流能力为2～3pu。在半桥VSC换流站，当IGBT闭锁时，旁路二极管或晶闸管保护IGBT，使换流站变为失去控制的整流器，交流侧电流流入故障点，使故障电流幅值进一步增大。如果不能及时开断故障电流，故障电流将在10～100ms内达到稳定状态。在稳定状态影响故障电流幅值的参数有：
1）系统拓扑结构和故障点的位置；
2）换流站技术；
3）交流系统的短路比（Short-Circuit Ratio）；
4）接地方式；
5）故障切除方式（如部分隔离系统和交流断路器）切除故障。
上述参数对稳态短路电流的定性影响为：换流站和地之间的总电阻越大，故障电流的稳态幅值越小。故障电阻、系统接地方式和系统拓扑结构均影响系统总电阻值。对称单极系统在极和地间发生故障时无电流回路，所以交流侧对故障电流稳态幅值无贡献。通常情况下，与直流系统连接的弱交流系统（交流系统的短路比低）对短路故障电流稳态幅值的贡献值低于强交流系统。
2. LCC系统的直流故障
LCC高压直流系统的短路故障没有VSC系统严重，故障电流主要由故障位置、换流站控制系统和系统平波电抗器决定。在LCC系统，晶闸管由栅极电压控制信号导通，并由周围网络在外部施加的交流电压关断。由晶闸管特性得到，晶闸管外部施加的交流电压幅值是控制LCC换流站输出的关键。交流系统的故障将导致交流电压下降，造成LCC换流站交换失败。
LCC换流站由晶闸管的点火角（Firing Angle）控制。整流站使用设置参考值的电流控制器。参考值由整流站内部测试的直流电压值决定，由内部电流控制器提供。整流站的控制器将测试的直流电流值和参考值进行对比后计算晶闸管的点火角。当直流侧发生短路故障时，直流线路电压坍塌，直流线路电流猛烈上升。在故障发生期间，即使线路平波电抗器限制故障电流的上升率，线电压的极性将不可避免地发生反转。由于直流线路电压坍塌，整流站电流将迅速上升而逆变站电流将下降。原因为当LCC控制系统的电能输送时，整流站作为发送端而逆变站为接收端。在此阶段，控制系统试图将整流站改变为逆变站以迅速降低直流故障电流。然而，逆变站将试图改变点火角，并反复尝试产生由逆变站初始设定的充足的直流线路电压，进而阻止了逆变站改为整流站的操作。逆变站的点火角降低，整流站的点火角增大，强迫逆变站保持在逆变模式。
当双极LCC高压直流系统发生相间故障，故障点距离整流站10km时，在短路故障期间，整流器电流达到的最大值为3pu，之后降低到零。故障暂态过程后，整流站电流保持在0.2pu。当整流站电压下降时，系统的低电压电流控制限制（Low Voltage Current Order Limit）将迅速限制直流电流值。逆变站的电流将立即下降，因此，暂态故障电流将在20～40ms由换流站控制清除，无须任何开关。上述故障切除方法只能应用于点对点高压直流线路，无法应用于多端直流网络。
3. VSC高压直流系统的直流故障
VSC电压源换流站易受直流侧故障影响，直流侧故障使直流电压坍塌引起半桥换流站变为不受控制的交流整流器，使大电流从交流网络流入变电站。半桥子模块如图3-19所示。在点对点电缆系统无须清除直流故障，因为均将故障假定为永久性故障。在点对点架空线路直流系统，短路故障多为暂时性故障，因此在关断系统前需要尝试几次重合闸操作。在多端直流系统，要求能隔离网络的故障部分，安全部分能继续传输能量。
全桥换流站能切断交流侧电流，限制短路故障电流的暂态过程。全桥子模块拓扑结构如图3-20所示。VSC系统包括对称单极系统、双极系统等。当对称单极系统发生直流短路故障时，导致系统功率损失。双极系统的传输效率高于对称单极系统，运行、控制也更加灵活。当双极系统发生接地故障或其中一个换流站发生故障后，双极系统可以以非对称单极的形式传输能量，当不允许以大地作为传输线时可以借助金属回线实现单极操作。
图3-19 半桥子模块拓扑结构
图3-20 全桥子模块拓扑结构
（1）VSC高压直流系统的极对地故障
极对地故障将使故障极的直流电容（包括架空线路和电缆的寄生电容、滤波电容等）放电。图3-21为一个正向的极对地故障的电流通路。故障后，电容迅速放电使受影响的极电压立即坍塌。
图3-21 VSC高压直流系统极对地故障电流通路
对称单极系统的极对地故障：一个低阻抗对称单极系统的极对地故障将使故障线路的直流电压坍塌。故障电流在网络中的传播与线路特性有关。系统接地方式影响流过换流站的电流。当换流站电压浮动在直流侧，变压器侧的换流站无接地时，每一条线路的电压在故障前是平衡的。只有当直流电压比整流后的交流电压值低时，额外的电流才流过换流站。因此，电流涌流是暂态的，当电压在正极和负极稳定后，涌流将结束。当变压器侧的换流站没有接地时，极对地故障的电流在换流站和电缆上是暂态的。对正极接地的点对点MMC VSC高压直流对称单极系统，故障电流由系统电容放电产生，被影响极的电压将迅速下降到零，没有被影响的极将保持系统额定电压。
对高阻抗接地换流站，当发生短路故障时，换流站将暂时闭锁，系统中的变压器将承受一个暂态的冲击，故障极电压将迅速下降到零，无故障极将产生一个严重的过电压。极对地直流电压将转移到变压器阀绕组电压上，因此在设计变压器绝缘时需要考虑此电压。
双极系统的极对地故障：受影响端的电压下降值与故障和端的距离成正比。与对称单极系统不同的是，由于电缆线路电阻和故障电阻的影响，电压将不会下降到零。流过断路器的电流将达到很高的值使系统设备受到威胁，当系统直流电抗器较小时，故障电流将迅速达到峰值，故障电流的峰值由交流系统短路能量决定。
（2）VSC高压直流系统的极间故障
当低阻抗直流系统发生极间故障时，将使直流系统电压迅速坍塌，电压下降程度由直流线路的 L/R/C 特性决定。例如，电缆线路的寄生电容大于架空线路，则电缆线路电压下降速度更慢。直流线路电压下降使交流侧电流流入直流侧，故障电流进一步上升，换流站闭锁如图3-22所示。对半桥MMC，故障电流将流过单向二极管，如果不采取保护措施，换流站最终将损坏。
图3-22 MMC VSC高压直流系统的极间故障电流传输路径
采用对称单极方式的半桥MMC VSC高压直流中的极间故障短路电流将在故障发生后10～15ms内达到峰值。如果断路器能在较短的时间内开断故障电流，则需开断的故障电流幅值将减小。幅值较大的短路故障电流使交流侧电压下降。电压下降程度由故障回路的电阻和故障电阻（电弧电阻、金属接触电阻等）决定。
双极系统的极间短路故障电流幅值受故障点与换流站之间距离和交流系统的短路能量影响。极间故障使直流侧电压坍塌，流过换流站的电流增大。对称单极系统和双极系统的极间故障相似，对称单极系统的极对地故障电流小于双极系统的极对地故障。
（3）混合AC/DC故障
在混合的AC/DC系统中，如果交流侧一相出现故障可能破坏直流侧设备。直流系统负极N和交流侧S相的接触故障，将使交流侧叠加一个很高幅值的直流电流，直流电流叠加一个交流基波分量。由于直流系统每一极均接地，因此负极的故障将影响正极。直流系统的不平衡造成极大的故障电流。如果直流断路器能在N极电流的第一个过零点开断故障电流，此时直流系统能快速恢复。
（4）电抗器的影响
在系统中安装直流电抗器，将延缓系统电压下降速度，降低短路故障电流上升速度。由于电压下降的时间延长，直流断路器可以有更多的时间在电压下降到换流站闭锁电压前开断故障电流。仿真研究显示添加直流电抗器或故障点与换流站之间的距离增加而提高线路的电抗值后，系统电压下降率和故障电流上升率均减小，因此可以为直流断路器提供更充足的开断时间。
在多端直流输电系统，当发生极间故障时，故障电流将会传播到整个网络，为了使系统稳定，直流断路器需要隔离故障线路。线路电抗器值越大，故障电流的上升率越小。
不同类型直流故障电流的上升率为研制直流断路器需要考虑的最关键因素，如果直流断路器具有很快的开断速度，能降低系统故障电流的上升率或者故障电流峰值，则也能降低系统设备的总成本。采用额外的设备，例如添加直流电抗器的方式能减少直流断路器所需的开断速度和开断能力要求。系统中的直流断路器的任务为用于阻止系统异常情况下的潜在危险，在故障情况下保护系统的电力设备；预防系统的任何不稳定性，提高系统的稳定性和灵活性。
1.交流系统稳定性
直流系统的主要应用为支持交流系统的传输能量和稳定性。在整个电力系统稳定性中需要考虑直流暂态现象。当电力系统最小设计方案为 N -1，即电力系统的任何一个元件如直流线路故障或一极失去能量时，总系统应仍能长期持续运行。直流短路故障将通过高压直流换流站流入交流系统，即任何直流系统故障将会使与高压直流换流站相连的变压器承受三相交流故障。此时，换流站电压下降与换流站的故障电流率（Short-Circuit Ratio）和从交流电流通路到高压直流站的总阻抗值有关。交流系统和直流系统混联，直流故障会对交流电力系统造成威胁。因此，直流保护系统需要在关键清除故障时间前清除故障，防止转子角不稳定，使发电机或连接线路跳闸。通常情况下，关键清除故障时间将超过标准后备保护操作时间（200～400ms）。在LCC传输系统，初始直流故障保护由换流站提供。LCC系统要求故障电流的清除时间为20～40ms，该值从考虑电力系统的稳定性得到。LCC系统换流站清除直流故障的能力优于交流保护系统的交流断路器。
LCC系统的直流故障只在整流侧的PCC中可以看见。采用半桥型换流站的VSC高压直流系统，直流故障电路可以传输到每一个换流站的交流端，即VSC高压直流系统的单一故障可以被认为是交流系统的多重对称交流故障。尤其对嵌入式直流系统，VSC系统的直流短路故障与同等级的LCC系统相比，将对交流电力系统产生一个更高的瞬态稳定性应力。点对点VSC高压直流系统的直流故障对交流系统的稳定性带来威胁，此时可用交流断路器切断该故障。在多端VSC高压直流系统，直流故障将更宽范围地影响交流系统稳定性，对直流系统的保护要求更加严峻，关键故障清除时间也将减少。
系统频率不稳定也可能导致高压直流输电系统的长期停运。由于频率不稳定造成的故障时间常数远高于短路故障暂态稳定性的时间常数，因此在设计高压直流断路器时不考虑频率不稳定的影响。在这种环境下，系统故障后的恢复策略更为重要。例如，为了隔离一个直流故障，实际操作的直流断路器数量多于要求操作的数量，此时，需要考虑直流断路器的重合闸和故障后的恢复过程，特别是断路器分闸导致系统传输能量的暂时损失超过交流网络的最大进给损失。
2.直流故障下换流站的操作
直流故障导致的暂态电压使高压直流设备的安全和稳定性受到威胁。因此，希望高压直流设备能承受暂态电压冲击，在大多数故障情况下不跳闸。在故障情况下，故障电流穿越换流站使系统支路电压下降。对基于半桥MMC的VSC高压直流系统换流站，当系统电压下降到系统额定电压的一定程度时，换流站无法继续控制电流。此时，如果需要换流站继续控制电流，系统中的高压直流断路器必须在故障处的换流站无法控制交流电流前（即系统电压值高于换流站控制交流电流需要的电压时）开断直流故障电流。
故障点与换流站的距离越远，线路电抗值越大，发生短路故障时，系统电压下降越慢，高压直流断路器的允许开断故障电流的时间也越长。增加直流线路电抗值将减少对高压直流断路器快速开断的要求。但是，线路电抗值越大，直流断路器在开断时需要吸收的能量越多，直流断路器中吸能元件需要更长的时间吸收开断后能量，因此设计电抗器值时需要综合考虑开断电流和开断时间。
另一个决定换流站持续工作的直流电压阈值为换流站的调制指数。小的调制指数能使换流站在不失去控制的情况下穿越更大的直流电压降。较低的调制指数可以增加二极管达到导通电压阈值的时间并为直流断路器提供更长的操作时间。大的调制指数可以减少换流站的通态损耗，在稳态情况下，通过设置合适的变压器抽头开关位置可以使调制指数最大。因此，需要综合考虑调制指数的设置值。
另一个解决方式为当直流电压低于二极管导通值时允许换流站的暂态损失。当电压下降时间为几十毫秒时，传输线路的暂态损失对电力系统稳定性影响很小。在这种情况下，换流站将暂时闭锁，在毫秒的尺度内，换流阀将停止对有源半导体器件的控制。然而，对多数VSC拓扑结构的换流站可以暂时去闭锁并恢复到正常的控制，将操作状态恢复到正常范围。