由于现场安装以及机组运行工况改变带来的影响,大型水轮发电机的转子往往都存在一定程度的偏心现象。转子偏心产生了同相各分支间的环流和流经主保护的不平衡电流。在我国二滩和凤滩水力发电厂已发生了数起水轮发电机主保护动作后,停机检查表明不存在定子绕组内部故障而怀疑发生转子偏心的事件。本文基于以上工程实际背景,对大型凸极同步发电机转子偏心情况下的运行与主保护问题进行了系统的研究,建立了比较完整的理论分析模型和计算方法。提出了以“电磁场-多回路结合法”分析大型凸极同步发电机转子偏心问题,并将其分解成体现发电机外部特性的电压方程求解与体现内部特性的电磁参数计算的两个问题。以定子分支为基本支路建立了转子偏心凸极同步发电机的多回路数学模型。提出了转子偏心凸极同步发电机电感参数的计算方法。以二维时步有限元法,对转子偏心凸极同步发电机的似稳场进行数值求解,得到了定子支路电感参数、定转子支路互感参数和转子励磁绕组自感参数(包括常数项及各次谐波项);对于二维有限元法无法考虑的端部漏感参数,则提出将端部加载线圈和交链线圈进行分段、分区域和分格处理的方法,引入绕组支路关联矩阵、用规范统一的方法计算了定子各支路的端部漏感参数。分析了凸极同步发电机转子偏心后电感参数和定子支路空载感应电动势的变化特点。定量化讨论了铁芯磁阻对发电机单个线圈电感参数计算的影响程度。在一台3kW、12极转子偏心率可调的凸极同步发电机实验样机上进行了空载和带电阻负载实验,实验结果与仿真结果进行了对比,证明了所建模型的正确性。定量分析了转子偏心对发电机主保护设计的影响。对转子偏心导致的分支不平衡电流对主保护(包括:零序电流型横差保护、裂相横差保护、不完全纵差保护、完全纵差保护等)产生的影响进行了详细的定量计算。最后将该分析方法应用于我国二滩水电站550MW发电机转子偏心保护设计中,为选择合适的保护定值提供了理论依据。