针对故障和不正常运行的类型，水轮发电机装设有差动保护、过电流保护、定子绕组接地保护、转子一点接地保护、失磁保护、失步保护、过电压保护、过负荷保护等。

发电机两端电流互感器电流的矢量差达到设定动作值时启动的主保护。除容量在1兆瓦及以下的发电机采用电流速断、低电压或过电流作为发电机及其引出线的相间短路保护外，其他发电机均需装设差动保护来保护发电机内部及其引出线的相间短路故障。

发电机差动保护有纵差保护、裂相横差保护及零序电流横差保护。发电机纵差保护分为完全纵差保护和不完全纵差保护，裂相横差保护分为完全裂相横差保护和不完全裂相横差保护。除横差保护外，水轮发电机所配置的差动保护一般采用穿越制动特性的保护原理。主要有改进型标积制动式差动保护、三段折线比率差动保护及基于采样值原理的综合差动保护。

纵差保护、裂相横差保护及零序电流横差保护对内部短路类型的灵敏度各不相同，应根据“优势互补、综合利用”的原则制定出发电机引出线及其内部短路故障保护的配置方案。

作为发电机外部相间短路故障和发电机主保护的后备，根据短路故障时电流增大、电压下降或出现负序分量等特征，可构成各种类型的过电流保护：①仅反应故障电流的过电流保护。②低电压启动的过电流保护，是电压降低和电流增大同时出现时的保护动作。③反应负序电压增大、相间电压降低和电流增大的带复合电压启动的过电流保护，负序电压元件能增加不对称短路故障时的灵敏性。④负序过电流加单元件低电压启动的过电流保护，可以同时反应不对称和对称短路故障时对灵敏性的要求。⑤对于采用自并励方式的发电机，为防止短路电流衰减导致后备保护拒动，采用低电压启动电流自保持的过电流保护。

容量为100兆瓦及以上的发电机装设保护区为100%的定子绕组接地保护，容量为100兆瓦以下的发电机则装设保护区不小于90%的定子绕组接地保护。

发电机中性点接地方式一般为：①当接地电容电流小于允许值时（见表），采用不接地或电压互感器接地方式。②当接地电容电流大于允许值时，采用欠补偿的消弧线圈或接地变压器接地方式，将接地电流降至安全值以下。

保护区不小于90%的保护装置由连接发电机出口电压互感器开口三角侧或中性点电压互感器、消弧线圈二次侧的滤过式零序电压保护组成。100%保护区的定子绕组接地保护，中国一般采用反应近机端单相接地的上述滤过式基波零序过电压保护和反应近中性点侧单相接地的比较机端及中性点三次谐波电压原理的接地保护部分组成。基波零序电压接地保护与三次谐波电压原理接地保护出口宜分开，前者跳闸，后者带时限动作于信号。

当发电机中性点采用接地变压器接地时，两套定子绕组接地保护中一套采用基波零序电压加三次谐波电压原理保护，另一套采用外加注入低频电源型定子接地保护。采用保护装置动作于跳闸的方式。

保护可采用：①叠加直流电压的一点接地保护。②叠加交流电压的一点接地保护。③切换采样式（乒乓式）一点接地保护。保护带时限动作于信号，或动作于程序跳闸。

水轮发电机失去励磁后，一方面将从系统吸收大量的无功功率，引起电力系统的电压下降；另一方面发电机将过渡到异步运行，此时反应功率较大，而反应功率是以2倍转差变化的，因而发电机的有功功率将随反应功率而产生较大摆动，影响系统稳定运行，还可能导致发电机定子和转子过热。失磁保护主要由按静稳边界或按异步边界整定的阻抗元件、判别系统电压降低的低电压元件、判别转子电压异常降低的元件，以及防止误动作的闭锁元件和延时元件等构成。

大容量发电机失步时对系统影响较大，而且长时间的振荡电流将使定子绕组过热及端部遭受机械损伤，容量为300兆瓦及以上的发电机一般装设失步保护。处于电动机工况的抽水蓄能机组由于失步期间机端电压大幅度波动，其输入功率亦将随之急剧变化，扰乱了泵组的正常运行，需要装设失步保护，将机组及时切除。失步保护可由双阻抗元件或三阻抗元件构成。

水轮发电机装设过电压保护，以防危及发电机绝缘。该保护由过电压继电器和时间继电器构成，延时动作于灭磁和切除断路器。

水轮发电机装设定时限过负荷保护，50兆瓦及以上的水轮发电机装设定时限负序过负荷保护作为发电机转子表层过负荷保护，100兆瓦及以上的水轮发电机还装设定时限转子绕组过负荷保护。