经济的持续高速发展为电力系统的建设提出了更高的要求,为了充分发挥我国丰富的水电资源优势,在连续的几个五年计划中,国家都规划设计了一大批大型和特大型水电站,并逐步投入运行。同时,所设计水轮发电机单机容量也不断增大,例如三峡、龙滩和溪洛渡电站发电机单机容量均达700MW,金沙江的向家坝更是达到750MW,而白鹤滩水电站的单机设计容量则可能高达800MW左右。发电机内部短路故障破坏性极强,如缺乏有效的保护,一旦发生故障则必将对发电机造成重大损坏,甚至可能影响水电站和整个电力系统的稳定运行,因此对大型水轮发电机实施有效的主保护至关重要。但大型水轮发电机内部故障暂态电磁关系复杂,建立适合发电机主保护优化设计研究的故障仿真模型困难,目前,针对发电机内部短路故障情况下仿真建模技术和主保护配置方案研究也成了国内外重要的研究课题。发电机内部短路故障特性的研究可以通过机组短路试验和数字仿真等手段来实现,但大型水轮发电机昂贵的价格使得不可能通过真机试验来进行相关的研究工作,即使是通过动模机组也只能对个别模拟机组的有限短路点进行部分试验,而数字仿真却能方便地对各种结构的发电机进行分析研究,因此数字仿真手段成了研究故障特性和主保护方案的重要途径。但发电机内部短路故障情况下暂态电磁关系复杂,如何建立适合主保护优化设计工程要求的暂态仿真模型是一个技术难题。发生短路故障后,发电机定子结构不再对称,气隙磁场存在很强的谐波分量;而且,大型水轮发电机定子绕组形式复杂,因此研究发电机内部短路故障必须考虑空间磁场谐波和定子短路匝位置两个因素的影响。按照发电机内部定转子实际环路列写磁链及电压方程(有学者称为多回路法)建立的仿真模型可以考虑这两个因素的影响,但大型水轮发电机过多的阻尼网孔导致了极高的状态方程组维数,不便求故障暂态解。虽然有研究人员提出了通过代数方程来求故障稳态解的方法,但发电机主保护动作时故障暂态过程并未结束,因此,主保护效果考核必须以故障暂态特性为基础。要将大型发电机内部故障暂态仿真模型应用于主保护优化设计的工程实际,首先需要解决模型的合理简化问题。本文从转子阻尼回路入手,采用基于转子每极双阻尼条的简化方法,以定子单匝线圈和等效阻尼网孔为基本单元,将故障短路支路等效为一条额外分支,通过列写各回路的磁链及电压方程建立了发电机内部故障暂态仿真模型,通过仿真计算验证了模型的正确性,并首次将此模型应用于大型水轮发电机主保护优化研究的工程实际。动模试验是电力系统故障研究的另一种重要手段,为更好地研究大型发电机内部短路故障情况下的电气特性,再现可能发生的各种故障和异常运行情况,论文介绍了国内首台基于大型水轮发电机实际结构及电气参数而建立的动模机组的设计、制造及相关动模试验情况。动模发电机定子分支数目和绕行情况完全仿照三峡左岸ALSTOM发电机的形式,电气参数的设计也尽量与原型机一致,该动模机组的建设为大型发电机保护研究和继电保护装置试验提供了完善的物理平台。论文首次对比分析了多分支大型水轮发电机动模机组内部短路故障试验与数字暂态仿真计算结果,进一步验证了基于转子每极双阻尼条的简化暂态仿真模型的可行性与合理性。论文探讨了发电机内部故障暂态仿真及保护分析的可视化通用软件设计,基于Windows的VC++开发了内部短路故障集、故障仿真程序以及保护分析等功能的通用软件,可作为实际工程应用的仿真平台。国内新建的一系列大型水电站中,发电机主保护配置方案的确定都需要经过系统的暂态仿真分析论证,论文对三峡右岸DFEM和ALSTOM 700MW、四川瀑布沟电站600MW和湖南柘溪电站250MW发电机故障集内所有故障的暂态电气特性进行了详细的研究,仿真分析了发电机各种中性点组合方式下不同主保护原理作用时的保护效果,通过统计、对比和分析,确定了各发电机中性点侧分支引出方式和优化主保护配置方案,研究成果已应用于上述三个电站建设中发电机及其保护的设计及相关工程应用环节,同时也为国内相应工程应用和研究工作提供了参考。论文最后对上述研究成果进行了总结,提出了进一步研究的方向。