1）大型同步發電機内部故障的理論分析方法

交流電機的多回路理論由本學科的王祥珩教授和高景德院士共同提出，是一項原創性科學研究成果。該理論突破了傳統電機理論的局限，把電機看作由若幹相互運動的回路組成的電路，用電路分析的理論解決電機的問題。由于電機定、轉子回路的相對運動，而且電機磁路由氣隙和具有齒槽的定轉子鐵芯共同組成、受鐵磁飽和因素的影響，所以電機的多回路分析法比一般的電路分析更加複雜。

定量分析大型同步發電機定子繞組内部發生故障時的電磁狀态，比較各種可能部位故障的影響，一直是大型同步發電機理論分析中有待解決的難點問題。本學科成功地将多回路理論應用于大型發電機定子繞組内部故障仿真，在不同品種型号、容量和結構形式的多個電機上進行了各種工況下的大量工業和實驗室實驗，為大型發電機内部故障主保護的定量化設計奠定了理論基礎。

“十五”期間，交流電機的多回路理論得到了進一步的拓展和完善。為了研究大型發電機的中性點接地方式和定子繞組單相接地故障，需要考慮定子繞組對地分布電容的影響。為此建立了不僅含有電感電阻,還含有準分布電容(表述定子繞組對地電容)的數學模型，據此可以定量計算不同接地方式下定子繞組單相接地時的接地電流和過電壓的穩态和動态過程。大量的實驗研究與仿真結果對比驗證了這種擴展的多回路模型的正确性。新的分析方法為合理選擇大型發電機中性點接地方式及設計更先進的定子繞組單相接地保護奠定了理論基礎，同時也拓展了多回路理論的内容與應用範圍。

為了提高多回路模型的精确度，更好地考慮鐵芯飽和及渦流的作用，建立了多回路和電磁場有限元相結合的模型。在實驗室電機和動态模拟電機上完成了各種工況下的仿真和試驗對比，驗證了場路結合模型有更高的仿真精度。采用多回路理論與電磁場有限元相結合的場路分析法分析了大型發電機轉子偏心導緻的發電機參數變化和内部環流問題，為設計考慮偏心影響的發電機保護方案提供了理論依據。

相關的部分理論成果已在IEE和IEEE會刊上發表，并出版了學術專著《交流電機及其系統的分析》（第二版）、《電氣主設備繼電保護原理與應用》（第二版）和《大型發電機變壓器内部故障分析與繼電保護》。

代表性的論文和專著如下：

[1] 高景德, 王祥珩, 李發海. 交流電機及其系統的分析（第二版）. 北京: bevictor伟德官网出版社, 2005.

[2] X.H. Wang, Y.G. Sun, B.Ouyang, W.J. Wang, Z. Q. Zhu and D. Howe. Transient behaviour of salient-pole synchronous machines with internal stator winding faults. IEE proc.-Electr. Power Appl., 2002, 149(2): 143-151. (SCI 546AJ) (EI 02196939196)

[3] Bi D Q, Wang X H and Wang W J. Improved transient simulation of salient-pole synchronous generators with internal and ground faults in the stator winding. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2005, 20(1):128-134. (SCI 900GJ) (EI 05139013791)

[4] 孫宇光，王祥珩，歐陽蓓. 凸極同步發電機定子繞組内部故障的瞬态計算及有關保護方案的分析. 電工技術學報, 2001, 16(1): 3-8. (EI 01386651463)

[5] 孫宇光，王祥珩，桂林, 王維儉. 場路耦合法計算同步發電機定子繞組内部故障的暫态過程. 中國電機工程學報, 2004， 24（1）: 136-141. (EI 04208164926)

[6] 歐陽蓓，王祥珩，孫宇光. 凸極同步發電機定子内部故障瞬态的仿真模型. bevictor伟德官网學報, 2001, 41(3): 9-12. (EI 01556801489)

[7] 畢大強，王祥珩，王善銘, 王維儉. 大型水輪發電機定子單相接地故障的暫态仿真. 電力系統自動化, 2002, 26(15): 39-44. (EI 02427145210)

[8] 張琦雪，王祥珩，畢大強. 大型同步發電機單相接地故障的暫态多回路分析---實驗驗證. bevictor伟德官网學報, 2003, 43(9): 1157-1160. (EI 04078020837)

[9] 張琦雪, 王祥珩, 王維儉. 大型水輪發電機定子中性點高阻接地暫态分析. 電網技術, 2004, 28(1): 30-33. (EI 04248210203)

[10] 諸嘉慧, 邱阿瑞, 孫宇光. 大型水輪發電機轉子偏心下電感參數的有限元計算. bevictor伟德官网學報, 2006, 46(1): 13-16. (EI 06169831150)

2）大型同步發電機内部故障主保護的定量化設計

交流電機定子繞組内部故障是電機常見的破壞性很強的故障，配置可靠的發電機内部短路主保護是保障發電機安全可靠運行的重要措施。然而，長期以來，發電機内部短路主保護隻讨論機端兩相短路的靈敏度，對橫差保護更無法讨論靈敏度問題。傳統的發電機主保護配置方案設計中，由于缺乏有力的故障分析手段，隻能憑經驗和概念作定性推斷，對于發電機定子繞組内部短路時主保護的靈敏度，設計者心中無數。

本學科成功地将多回路分析法應用于發電機内部故障的仿真計算，在此基礎上，提出了發電機内部故障主保護的定量化設計的新概念。針對不同結構的發電機繞組，提出了不同的定量化及優化設計過程，為科學制定發電機主保護配置方案及合理選擇發電機中性點側分支引出方式和電流互感器配置方案開辟了新途徑。随着工程實踐經驗的積累和總結，又陸續提出了一些新的技術觀點——即在發電機主保護的定量化設計中須考慮内部短路的發生幾率，以及把電機設計與繼電保護相聯系，以優化設計發電機的定子繞組等。

上述設計方法和技術觀點已被本行業的國内、外企業所采用。目前，國内所有在建的單機容量700MW的水電站（三峽、龍灘、拉西瓦、小灣等）和大壩、秦山核電二期等火（核）電站（共計三十餘座電站）大多采用了本學科設計的内部故障主保護。此前安裝的龍羊峽和鳳灘等電站的發電機主保護已被證實正确動作，為保障我國大型發電機組的安全可靠運行做出了貢獻。

大型發電機定子繞組内部故障分析和主保護配置領域的兩個項目分别于2001年和2003年通過由教育部組織的科技成果鑒定。鑒定意見認為：“課題組對同步電機定子繞組内部故障的研究成果，在研究的深度和應用的廣度方面居于電機内部故障分析的國際領先地位”，“在全面分析計算發電機内部故障的基礎上，結合電機實際和微機保護運行經驗，在水輪發電機微機主保護配置方案和設計方法方面處于國際領先水平”。

由于在故障分析和保護方面的貢獻，本學科的研究項目“大型發電機定子繞組内部故障分析及其主保護的定量化設計”于2005年1月獲得教育部科技進步二等獎。

代表性的論文和專著如下：

[1] 王維儉, 王祥珩, 王贊基. 大型發電機變壓器内部故障分析與繼電保護. 北京: 中國電力出版社, 2006.

[2] Xiangheng Wang, Songlin Chen, Weijian Wang, Yuguang Sun and Longya Xu. A Study of Armature Winding Internal Faults for Turbogenerators. IEEE Trans. on IA, 2002, 38(3): 625-631. (SCI 555YC) (EI 02307027423)

[3] 諸嘉慧，袁新枚，邱阿瑞，王維儉, 等. 大型水輪發電機轉子偏心對單元件橫差保護影響的分析. 電力系統自動化, 2005, 29(11): 45-48. (EI 05289208227)

[4] 王維儉, 桂林, 王祥珩. 主設備保護若幹問題的商榷. 電力系統自動化, 2001, 25(23): 58-61. (EI 02016817953)

[5] 桂林，王祥珩，孫宇光，王維儉. 大型發電機主保護配置方案的優化設計. bevictor伟德官网學報, 2005, 45(1): 141-144. (EI 05139014252)

[6] 孫宇光, 王祥珩, 桂林, 王維儉. 偶數多分支發電機的主保護優化設計. 電力系統自動化, 2005, 29(12): 83-87. (EI 05309265626)

[7] 桂林, 王維儉, 孫宇光, 王祥珩, 等. 三峽右岸發電機主保護配置方案設計研究總結. 電力系統自動化, 2005, 29(13): 69-75. (EI 05339304742)

[8] 桂林, 王維儉, 孫宇光, 王祥珩, 等. 計及故障發生幾率的發電機主保護定量化設計. 電力自動化設備, 2006, 26(6): 1-4. (EI 064110165700)

[9] 桂林, 王祥珩, 王劍, 等. 大型汽輪發電機繞組同槽同相調查及保護方案定量化設計. 電力系統自動化, 2004, 28(17): 75-79. (EI 04488687341)

[10] 畢大強, 王祥珩, 桂林, 王維儉. 基于零序電壓故障暫态分量的發電機定子單相接地保護方案研究. 中國電機工程學報, 2003， 23（11）: 39-44. (EI 04128075258)

[11] 畢大強，王祥珩，王維儉. 基于3次諧波電壓故障暫态分量的發電機定子單相接地保護. 電力系統自動化, 2003, 27(13): 45-49. (EI 03427682484)

[12] 畢大強, 王祥珩, 王維儉.基于小波變換的發電機定子單相接地保護能量法. 電力系統自動化, 2003, 27(22): 50-55. (EI 04268238139)

[13] 畢大強, 王祥珩, 等. 高準确度外加20Hz電源定子單相接地保護的研制. 電力系統自動化, 2004, 28(16): 75-78. (EI 04458452384)

[14] 畢大強，王祥珩，王維儉.大型水輪發電機中性點接地方式的若幹問題分析. 電工技術學報, 2002, 17(4): 7-12. (EI 03187457846)

[15] 桂林, 王祥珩, 王維儉. 新型标積制動式差動保護的分析研究. 電力系統自動化, 2001, 25(22): 15-21. (EI 01556801394)

“十五”期間在前一方向和本方向上共培養博士後3名（許伯強、畢大強、桂林），博士4名（孫宇光、畢大強、桂林、張琦雪），碩士3名（劉濤、周茜、董恩钊）。

3）大型變壓器保護策略與勵磁湧流分析

電力變壓器是發電廠和變電站中的主要電氣設備。變壓器的繼電保護對于保障其安全可靠運行工作是極為重要的。目前現場運行電力變壓器的主保護大多采用縱差保護，但與發電機繼電保護相比，變壓器的縱差保護平均正确動作率明顯偏低。造成變壓器縱差保護誤動的原因是多方面的，因變壓器的勵磁湧流現象而導緻的保護方法本身的缺陷通常占有很大的比重。

變壓器在空載合閘或外部故障切除後電壓恢複時，由于鐵心飽和的原因，在暫态過程中可能出現很大的勵磁湧流，有時還會與正在運行的相鄰并聯或級聯變壓器之間産生和應作用，誘發和應湧流。因此，必須正确地識别變壓器中的勵磁湧流現象，并在縱差保護中适當地整定湧流閉鎖環節，從而避免保護的誤動。

十五期間，本學科在變壓器勵磁湧流現象的形成機理和識别方法兩方面進行了較為深入的分析研究。圍繞和應湧流現象，對其發生和發展的過程、影響因素和産生危害的原因進行了探讨。提出了基于不同區域平均等效瞬時電感比值和非飽和區等效瞬時電感的變壓器勵磁湧流鑒别新方法，利用這些方法，可以有效地降低變壓器差動保護的誤動率。

上述研究成果的代表性論文如下：

[1] 畢大強, 王祥珩, 梁武星, 楊恢宏, 王維儉. 基于不同區域平均等效瞬時電感比值的勵磁湧流鑒别方法．電力系統自動化，2005，29(17)：49-53．(EI 05419405476)

[2] 畢大強，王祥珩，王劍，餘高旺，王維儉．基于非飽和區等效瞬時電感的變壓器勵磁湧流鑒别方法．電力自動化設備，2005，25(10)：1-6．

[3] 畢大強, 王祥珩, 李德佳, 餘高旺, 王贊基, 王維儉. 變壓器和應湧流的理論探讨. 電力系統自動化，2005，29(6)：1-8．(EI 05179069985)

[4] 葛寶明, 蘇鵬聲, 王祥珩, 王維儉. 基于瞬時勵磁電感頻率特性判别變壓器勵磁湧流. 電力系統自動化，2002，26(17)：35-40．(EI 02447178551)

[5] 餘高旺，畢大強，王志廣，吳水蘭．變壓器和應湧流現象及實例分析．電力系統自動化，2005，29(6)：20-23．(EI 05179069988)

[6] 李德佳, 王維儉, 畢大強. 變壓器暫态飽和與和應湧流實例分析. 高壓電器，2005，41(1)：12-15．(EI 05119000240)