一、利用零序电压构成的发电机定子绕组单相接地保护
根据式（2-9）可以画出零序电压3U0随故障点位置α变化的曲线图，如图1所示。故障点越靠近机端，零序电压就越高，可以利用基波零序电压构成定子单相接地保护。图中Uop为零序电压定子接地保护的动作电压。
零序电压保护常用于发电机一变压器组的接地保护。发电机一变压器组的一次接线及零序电压定子接地保护使用的零序电压的获取见图2。
图2中的机端电压互感器变比为
中性点单相电压互感器变比为
如果机端发生金属性单相接地故障，从机端或者中性点电压互感器得到的基波零序电压二次值为100。距离中性点α处发生单相金属性接地故障时，基波零序电压二次值为α×100V。零序电压可取自发电机机端TV的开口三角绕组或中性点TV二次侧（也可从发电机中性点接地消弧线圈或者配电变压器二次绕组取得）。当保护动作于跳闸且零序电压取自发电机机端TV开口三角绕组时需要有TV一次侧断线的闭锁措施。
产生零序电压3U
不平衡输出的因素主要有发电机的三次谐波电动势、机端三相TV各相间的变比误差（主要是TV一次绕组对开口三角绕组之间的变比误差）、发电机电压系统中三相对地绝缘不一致及主变压器高压侧发生接地故障时由变压器高压侧传递到发电机系统的零序电压。由于发电机正常运行时，相电压中含有三次谐波，因此，在机端电压互感器接成开口三角的一侧也有三次谐波电压输出。因此为了提高灵敏度，保护需有三次谐波滤除功能。在发电机出口处发生单相接地时，3U0电压为100V；在中性点发生单相接地时，3U0电压为0V。因此，3U0间接反映了接地故障点的位置。若3U0保护整定为5V，就保护了从机端开始的95％定子绕组，死区仅为5％。
目前100％定子接地保护一般由两部分组成：一部分是上述零序电压保护，能保护定子绕组的85％以上；另一部分需由其他原理（如三次谐波原理或叠加电源原理）的保护共同构成100％定子接地保护。
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图1 发电机定子绕组单相接地时3U0与α的关系曲线图 |
图2 发电机单相接地保护接线原理图 |
二、利用零序电压和叠加电源构成的发电机100％定子绕组单相接地保护
除利用故障分量反应定子绕组接地保护外，还可以利用叠加电源原理构成定子绕组接地保护。叠加电源方式的发电机100％定子绕组单相接地保护采用叠加低频电源，叠加电源频率主要有12.5Hz和20Hz两种，由发电机中性点变压器或发电机端TV开口三角绕组处注入一次发电机定子绕组。这种方式能够独立地检测接地故障，与发电机的运行方式无关；不仅在发电机正常运行的状态下可以检测，而且在发电机静止或是启动、停机的过程中同样能够检测故障。更重要的是，这种方式对定子绕组各处故障检测的灵敏度相同。但需要增加专用设备，并存在一、二次回路直接连接安全性差等缺点。
三、发电机100％定子绕组接地保护的构成
微机型发电机保护均设有100％定子绕组接地保护功能，其保护原理一次接线示意图如图3所示。取发电机中性点零序电压，经数字滤波器滤除三次谐波电压分量，其动作判据为3U0＞U0p。三次谐波电压元件取发电机机端零序电压和中性点零序电压，经数字滤波器滤除基波电压，取得相应的三次谐波电压。
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图3 发电机100%接地保护一次接线图 |
发电机100％定子绕组接地保护的构成框图如图4所示。若发电机接地电流小于允许值，保护延时动作于信号；若大于允许值，保护延时动作于跳闸。一般在中性点附近接地，产生的接地电流小于允许值，故通常三次谐波电压元件出口发信号，仅将基波零序电压元件出口投跳闸。
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图4 发电机100%接地保护构成框线图 |
图5所示为发电机基波零序电压定子绕组接地保护逻辑框图，图6所示为发电机三次谐波电压定子绕组接地保护逻辑框图。基波零序电压保护设两段定值，一段为灵敏段，另一段为不灵敏段（高定值段）。灵敏段一般动作于信号，高定值段保护一般动作于跳闸。由于基波零序电压定子接地保护取自发电机中性点电压、机端开口三角零序电压，TV断线时会导致保护拒动。因此在发电机中性点、机端开口三角TV断线时需发报警信号，在发电机中性点TV断线时闭锁三次谐波电压保护。
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图5 发电机基波零序电压定子绕组接地保护逻辑框图 |
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图6 发电机三次谐波电压定子绕组接地保护逻辑框图 |
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