励磁绕组匝间短路故障是一种常见的大型发电机电气故障,会造成转子励磁电流增大、输出无功减小、机组振动加剧等不良后果,若不及时处理还可能会导致更加严重的安全事故。本文研究的主要目标是利用发电机运行中的故障特征量实现对故障的在线监测,进一步消除传统方案中的监测死区,能够及时发现小匝数的早期故障,做到防患于未然。本文的研究重点在于故障的场路结合数学模型、故障的在线监测方案,故障磁极的定位方法以及故障后转子的不平衡磁拉力,是实现励磁绕组匝间短路故障在线监测和定位的核心,主要研究内容及结论如下:(1)为实现励磁绕组匝间短路故障的快速、准确计算,采用场路结合法建立了故障数学模型。考虑到故障初期气隙磁场变化较小,采用有限元法对正常运行时定、转子各绕组的电感参数进行计算,并导入多回路方程中,进而得到故障后发电机各电气量的稳态解。该方法实现了电路与磁场方程的解耦,在计算过程中对二者分别求解,不再进行反复迭代,显著提高了计算效率。通过样机故障实验结果与仿真结果的对比验证了该方法的正确性。(2)为解决定子固有不平衡电流对小匝数故障监测灵敏度的影响,提出了基于定子固有不平衡电流估算的监测方案。基于场路结合数学模型对二滩和彭水水轮机的励磁绕组匝间短路故障进行了计算,并根据实测数据对故障监测的灵敏度进行了分析,结果证明:对于分数次和偶数次固有不平衡电流含量较高的发电机,传统的移相叠加监测方案依然存在监测死区。为此,对不同极对数发电机定、转子不圆引起不平衡电流的谐波特征进行了分析,并通过实验和仿真对研究结果进行了验证。在不同工况下对定子固有不平衡电流进行了仿真计算,得到了不平衡电流总有效值与发电机工况之间的关系,据此提出一种基于固有不平衡电流估算的故障监测方案,并在彭水发电机上对该方案的灵敏性进行了计算,结果证明此方案成功消除了分数次和偶数次固有不平衡电流对小匝数短路故障监测灵敏度的影响,进一步提高了故障监测的灵敏性。(3)为解决无法实现励磁绕组匝间短路故障磁极定位的问题,提出了基于不平衡电流波形时域特征的故障磁极定位方法。利用故障数学模型对样机单极短路故障进行了计算和分析,找到了故障磁极位置、故障磁动势、故障电动势和故障不平衡电流之间的相位关系,据此提出一种基于故障不平衡电流波形时域特征的故障磁极在线定位方法,并通过故障实验和样机仿真验证了故障磁极在线定位方法的正确性。最后,为了研究定子绕组形式对不平衡电流时域特征的影响,对三种定子绕组形式的同步发电机进行了转子匝间短路故障仿真,得到了不同定子绕组形式下不平衡电流的时域特征,并通过研究定、转子绕组线圈电感参数的数值特征对其原因进行了分析。(4)为研究故障后发电机的机械振动特征,对转子不平衡磁拉力的计算模型、产生机理以及幅值和频率特征进行了全面和深入的研究。首先,提出一种基于多回路法的转子不平衡磁拉力快速计算模型,通过有限元仿真验证了模型的正确性,突破了无法实现故障后转子不平衡磁拉力快速、准确计算的瓶颈,并基于该模型对不同短路匝数和短路位置的转子不平衡磁拉力进行了计算和分析;然后,全面考虑故障产生的各种气隙磁场,通过分析磁场间的相互作用,明晰了故障对振动的影响机理,并得到了不同定子绕组形式的发电机转子不平衡磁拉力的频率特征;最后,对不同工况下的转子不平衡磁拉力进行了理论分析和仿真计算,得到了不平衡磁拉力随发电机工况变化的特征,为实现机电信息融合的转子匝间短路故障在线监测奠定了理论基础。