同步电机的定子绕组内部故障是电机中常见的破坏性很强的故障。为了预测故障的破坏程度、设计机组的内部短路保护方案以减轻故障损害，都需要对绕组故障时的运行状态做详细的分析。运用多回路方法，已经基本解决了同步电机内部故障的稳态分析问题，但对故障的暂态研究，以前还仅限于单机空载的情况。本文改进了原来的多回路数学模型中对定子回路的选择，不仅可对同步发电机机端各种外部短路故障和单机空载下的各种定子内部故障进行暂态过程的仿真，还实现了负载时内部各种故障的暂态仿真。本文以矢量磁位和回路电流为求解变量，把电机的电磁场方程与反映绕组联接情况的电路方程联立起来同时求解，提出了同步发电机定子绕组内部故障的瞬态电磁场与多回路耦合的数学模型。该模型不仅能考虑绕组的分布与联接方式、故障的空间位置、气隙磁场的空间谐波，还能细致地考虑磁极形状、铁芯的饱和和涡流等因素。本文对一台4极、12kW凸极同步发电机，在单机空载和机端带电阻负载的运行状态下，进行了机端外部短路和多种典型内部故障的实验，并用两种数学模型做了相应的仿真计算。结果表明，多回路数学模型在电机饱和不严重的情况下，暂态仿真结果与实验结果大致吻合，虽然有时非故障分支电流与实验结果的差异比较大，但基波分量还比较准确，基本可以满足保护方案的灵敏度校验等工程需要。而场路耦合数学模型对于正常运行及各种故障，定子所有支路电流及励磁电流的仿真结果都与实验吻合得更好，尤其是在饱和情况下能得到比较准确的仿真结果。本文用场路耦合数学模型，计算了不同极数的同步发电机在联网负载运行状态下的单支路开焊故障。仿真表明，一对极、每相2分支的隐极同步发电机发生单支路开焊故障时，定子绕组内部会产生很大的环流，可能使绕组烧毁。对这种汽轮发电机特有的现象，本文给出了物理解释。随着电机容量的增大，对发电机内部故障保护提出了更高的要求。本文摒弃了以往凭概念、经验和传统习惯的做法，在对发电机内部故障进行准确计算和保护方案灵敏度校验的基础上，以恶滩水电站150MW发电机为例，按照“优势互补、综合利用”的原则，用新的设计思路确定了发电机内部故障主保护的配置方案，对可能发生的发电机内部故障实现了最大范围的保护。