尽管由于能源紧缺问题使风力异步发电、太阳能发电和燃料电池供电等新型能源转换方式成为研究热点,但目前世界上超过90%以上的电力还是由同步发电机提供的。随着电力需求的增大同步发电机容量也越来越大,同步发电机的停机必然会造成经济上的极大浪费,因此对发电机故障保护的要求越来越高。定子绕组内部故障是同步发电机内一种破坏性极强的故障,大力开展对定子绕组内部故障的原理分析和保护研究是非常必要的,它不仅对传统的直流励磁式同步发电机保护研究具有重大意义,还对航空航海等特殊发电机的内部故障检测与保护具有较好的参考价值。本论文主要对同步发电机定子绕组内部故障作了以下4个方面的分析和研究。本文基于多回路法建立了分析发电机定子绕组内部故障的场路耦合数学模型,该模型可以模拟发电机绕组短路、开路以及发电机偏心等多种内部故障。同时利用发电机动模实验研究方法,验证了该模型的正确性,并基于快速傅立叶变换和小波变换技术,对不同运行工况下同步发电机定子绕组内部匝间短路故障的时频稳态和暂态特性进行了相应的数值分析。然后分析了在考虑电机振动偏心下,定子绕组内部匝间短路后同步发电机的气隙磁场变化特征,得到相应内部故障发生前后电磁转矩的变化特征,特别是瞬时转矩中的脉冲转矩分量幅值和频率的变化特征。同时分析了故障后发电机端电流、转子励磁电流和定子端部振动的故障特征。因为同步发电机瞬时电流或电压信号与其运行状态紧密相关,本文基于RS分析方法利用分形维数对同步发电机定子绕组内外部故障的暂态和稳态过程进行了研究,通过对计算机仿真数据和动模实验数据的分形维数分析,得出一些有用规律,并在此基础上提出了一种基于RS算法的新型内部故障保护方案。参考扩展Park矢量方法(EPVA),本文提出一种新的坐标变换方法——扩展αβ0坐标方法,得到了内部故障的图形表示和数字特征。最后利用该非侵入式检测新方法,基于DSP和PC实现了对发电机定子绕组内部匝间短路故障引起的不对称电压电流信号进行在线检测和分析。