1、三次諧波電壓保護原理

由于發電機氣隙磁通密度的非正弦分布和鐵磁飽和的影響，在定子繞組中感應的電動勢除基波分量外，還含有高次諧波分量。其中三次諧波分量是零序性質的分量，雖然在線電動勢中被消除，但是在相電動勢中依然存在。如果把發電機的對地電容等效地看作集中在發電機的中性點N和機端S，且每相的電容大小都是0.5C_f，并將發電機端引出線、升壓變壓器、廠用變壓器以及電壓互感器等設備的每相對地電容C_w也等效在機端，并設三次諧波電動勢為E_3。那么當發電機中性點不接地時，其等值電路如圖1所示。這時中性點及機端的三次諧波電壓分別為

發電機端的三次諧波電壓U_S3與中性點側的三次諧波電壓U_N3之比為

由式（2-14）可見，在正常運行時，發電機中性點側的三次諧波電壓U_N3總是大于發電機端的三次諧波電壓U_S3。當發電機孤立運行時，即發電機出線端開路，C_w＝0時，U_N3＝U_S3。

當發電機中性點經消弧線圈接地時，其等值電路如圖2所示，假設基波電容電流被完全補償，即

此時發電機中性點側對三次諧波的等值阻抗為

整理后得

發電機端對三次諧波的等值阻抗為

因此，發電機端三次諧波電壓和中性點三次諧波電壓之比為

式（2-19）表明，接入消弧線圈后，中性點的三次諧波電壓U_N3在正常運行時比機端三次諧波電壓U_S3更大。在發電機出線端開路后，即C_w＝0時，則有

在正常運行情況下，盡管發電機的三次諧波電動勢E₃隨著發電機的結構及運行狀態而改變，但是其機端三次諧波電壓與中性點三次諧波電壓的比值總是符合以上關系的。

當發電機定子繞組發生金屬性單相接地時，設接地發生在距中性點α處，其等值電路如圖2-16所示，此時不管發電機中性點是否接有消弧線圈，總是有U_N3＝αE₃和U_S3＝（1-α）E₃，兩者相比，得

中性點電壓U_N3和機端電壓U_S3隨故障點α的變化曲線如圖2-17所示。因此，如果利用機端三次諧波電壓U_S3作為動作量，而用中性點三次諧波電壓U_N3作為制動量來構成接地保護，且當U_S3≥U_N3時作為保護的動作條件，則在正常運行時保護不可能動作，而當中性點附近發生接地時，則具有很高的靈敏性。利用此原理構成的接地保護，可以反應距中性點約50％范圍內的接地故障。

2、反應三次諧波電壓比值的定子繞組單相接地保護

利用反應三次諧波電壓比值U_S3/U_N3和基波零序電壓可以構成100％定子繞組單相接地保護。反應三次諧波電壓比值的定子繞組接地保護的動作判據為