一、利用零序電壓構成的發電機定子繞組單相接地保護
根據式（2-9）可以畫出零序電壓3U0隨故障點位置α變化的曲線圖，如圖1所示。故障點越靠近機端，零序電壓就越高，可以利用基波零序電壓構成定子單相接地保護。圖中Uop為零序電壓定子接地保護的動作電壓。
零序電壓保護常用于發電機一變壓器組的接地保護。發電機一變壓器組的一次接線及零序電壓定子接地保護使用的零序電壓的獲取見圖2。
圖2中的機端電壓互感器變比為
中性點單相電壓互感器變比為
如果機端發生金屬性單相接地故障，從機端或者中性點電壓互感器得到的基波零序電壓二次值為100。距離中性點α處發生單相金屬性接地故障時，基波零序電壓二次值為α×100V。零序電壓可取自發電機機端TV的開口三角繞組或中性點TV二次側（也可從發電機中性點接地消弧線圈或者配電變壓器二次繞組取得）。當保護動作于跳閘且零序電壓取自發電機機端TV開口三角繞組時需要有TV一次側斷線的閉鎖措施。
產生零序電壓3U
不平衡輸出的因素主要有發電機的三次諧波電動勢、機端三相TV各相間的變比誤差（主要是TV一次繞組對開口三角繞組之間的變比誤差）、發電機電壓系統中三相對地絕緣不一致及主變壓器高壓側發生接地故障時由變壓器高壓側傳遞到發電機系統的零序電壓。由于發電機正常運行時，相電壓中含有三次諧波，因此，在機端電壓互感器接成開口三角的一側也有三次諧波電壓輸出。因此為了提高靈敏度，保護需有三次諧波濾除功能。在發電機出口處發生單相接地時，3U0電壓為100V；在中性點發生單相接地時，3U0電壓為0V。因此，3U0間接反映了接地故障點的位置。若3U0保護整定為5V，就保護了從機端開始的95％定子繞組，死區僅為5％。
目前100％定子接地保護一般由兩部分組成：一部分是上述零序電壓保護，能保護定子繞組的85％以上；另一部分需由其他原理（如三次諧波原理或疊加電源原理）的保護共同構成100％定子接地保護。
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圖1 發電機定子繞組單相接地時3U0與α的關系曲線圖 |
圖2 發電機單相接地保護接線原理圖 |
二、利用零序電壓和疊加電源構成的發電機100％定子繞組單相接地保護
除利用故障分量反應定子繞組接地保護外，還可以利用疊加電源原理構成定子繞組接地保護。疊加電源方式的發電機100％定子繞組單相接地保護采用疊加低頻電源，疊加電源頻率主要有12.5Hz和20Hz兩種，由發電機中性點變壓器或發電機端TV開口三角繞組處注入一次發電機定子繞組。這種方式能夠獨立地檢測接地故障，與發電機的運行方式無關；不僅在發電機正常運行的狀態下可以檢測，而且在發電機靜止或是啟動、停機的過程中同樣能夠檢測故障。更重要的是，這種方式對定子繞組各處故障檢測的靈敏度相同。但需要增加專用設備，并存在一、二次回路直接連接安全性差等缺點。
三、發電機100％定子繞組接地保護的構成
微機型發電機保護均設有100％定子繞組接地保護功能，其保護原理一次接線示意圖如圖3所示。取發電機中性點零序電壓，經數字濾波器濾除三次諧波電壓分量，其動作判據為3U0＞U0p。三次諧波電壓元件取發電機機端零序電壓和中性點零序電壓，經數字濾波器濾除基波電壓，取得相應的三次諧波電壓。
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圖3 發電機100%接地保護一次接線圖 |
發電機100％定子繞組接地保護的構成框圖如圖4所示。若發電機接地電流小于允許值，保護延時動作于信號；若大于允許值，保護延時動作于跳閘。一般在中性點附近接地，產生的接地電流小于允許值，故通常三次諧波電壓元件出口發信號，僅將基波零序電壓元件出口投跳閘。
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圖4 發電機100%接地保護構成框線圖 |
圖5所示為發電機基波零序電壓定子繞組接地保護邏輯框圖，圖6所示為發電機三次諧波電壓定子繞組接地保護邏輯框圖。基波零序電壓保護設兩段定值，一段為靈敏段，另一段為不靈敏段（高定值段）。靈敏段一般動作于信號，高定值段保護一般動作于跳閘。由于基波零序電壓定子接地保護取自發電機中性點電壓、機端開口三角零序電壓，TV斷線時會導致保護拒動。因此在發電機中性點、機端開口三角TV斷線時需發報警信號，在發電機中性點TV斷線時閉鎖三次諧波電壓保護。
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圖5 發電機基波零序電壓定子繞組接地保護邏輯框圖 |
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圖6 發電機三次諧波電壓定子繞組接地保護邏輯框圖 |
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