随着我国电力系统的快速发展,以长江三峡电站为代表的一大批装设有特大型水轮发电机组的水电工程已投入运行和开工建设。特大型水轮发电机组将逐渐成为我国水力发电的主要力量,其安全运行与否将直接影响电网的稳定性。并且特大型水轮发电机组内部结构的复杂性对继电保护系统的性能提出了更高的要求,因此研发性能优异的特大型水轮发电机保护系统是我国继电保护技术人员的重要任务。论文围绕着特大型水轮发电机保护系统的研发以及若干的关键性技术问题,包括:动态物理模型系统的构建、保护原理和技术的研究与改进等展开相应的工作。论文对特大型水轮发电机组的保护系统方案进行了论述,包括系统总体设计方案、保护原理方案、装置硬件方案和软件方案。保护系统方案考虑了特大型水轮发电机组设计、结构、工艺和运行等诸方面的特点,并且借鉴了相关保护系统的设计和运行经验。通过合理的组屏、完善的保护配置、成熟原理和新技术的有效结合、基于高性能处理器的硬件平台和模块化的软件结构,使保护系统在满足特大型水轮发电机组运行要求的同时,具有较强的通用性。文中对特大型水轮发电机动态物理模型系统进行了介绍。该动态物理模型系统是目前国内唯一的一个对特大型水轮发电机组进行结构模拟的试验系统,其主要元件和子系统的结构、参数、性能与原型机组相同或基本一致。在模型系统中进行的试验研究结果表明,动态物理模型系统为特大型水轮发电机组的运行、故障分析、参数设置、相关保护性能的检验和改进等问题的深入研究提供了良好的物理试验研究平台。单元件横差电流保护作为发电机最重要的主保护之一,对定子绕组匝间短路和分支断线故障可起到有效的保护作用。横差不平衡电流和故障横差电流作为单元件零序横差电流的组成部分,这两种电流在不同运行工况下的大小及其变化规律对横差保护定值的选择,保护判据的改进都是至关重要的。论文对特大型水轮发电机单元件横差不平衡电流的产生原因和主要影响因素进行了分析,然后采用动模试验、数字仿真试验和真机试验对发电机处于各种运行工况下的单元件横差不平衡电流进行了研究。另外,对发电机各种内部故障的单元件故障横差电流变化规律也进行了探讨。基于以上研究结果,对单元件横差电流保护的算法、判据和定值整定方法提出了改进方案。试验结果显示,与原有方案相比,改进方案在具有较好可靠性的基础上,大幅度的提高了保护的灵敏度,并实现了保护可靠性、快速性、灵敏性和选择性的良好统一。目前,在各种励磁回路接地保护中,乒乓切换式保护和低频电压注入式保护由于自身的优点而被广泛应用,但是也存在相应的问题。当乒乓切换式保护切换电路中的元件参数选取不合适,以及接地电阻数值发生变化时均会影响保护的性能;另外,该保护在发电机处于空转和停机状态时无法检测励磁回路接地故障。低频电压注入式保护的注入源采用专门的低频电压源,其体积较大、价格昂贵,无法根据保护现场实际情况对注入电压频率进行方便的调节。针对这些问题,文中对乒乓切换式保护切换电路参数的选择、电路结构提出了相应的建议,对保护的实现方式也提出了改进方案。并且,结合乒乓切换式保护和低频电压注入式保护的优点,提出一种新型保护——外加电源切换式保护,保护在三峡电站的运行情况表明,保护运行可靠,精度和灵敏度均可以满足实际需要,具有良好的工程应用前景。为了在确保机组安全运行的基础上,充分发挥机组的运行效益,论文对特大型水轮发电机的各种反时限特性保护进行了研究。包括对保护的各种动作特性曲线和保护算法的性能进行对比,以及对整定计算、保护应用中的相关问题进行分析,根据研究结果形成适合于特大型水轮发电机的最佳反时限特性保护方案。论文还对特大型水轮发电机保护系统的综合动模试验和低频电压注入式定子单相接地保护动模试验进行了介绍。试验结果验证了保护功能的灵敏性和可靠性,以及保护系统的运行稳定性。最后,论文总结了主要研究成果,并阐述了有待进一步研究的主要问题。