实际测量表明，无论发电机机容量大小如何，它们的相电压中总有少量的三次谐波成分，其大小可为额定电压的千分之几到百分之十左右。这是因为转子绕组结构上的特点，总存在一定的（虽然很小）三次谐波磁势和磁密，另一方面因转子大齿和小齿结构使两者等效气隙线不同，也会产生三次谐波磁密，这样便会在相电压中产生三次谐波分量。
利用三次谐波电压原理的定子接地保护，可以帮助消灭基波零序电压原理定子接地保护在中性点附近的保护死区。事实上只要动作量选择合适，它还有可能单独完成发电机的100%定子接地保护。它再与基波零序电压原理的定子接地保护相配合，可使发电机最常见的定子接地故障具有主保护和后备保护，并完全消除了死区。
很显然，三次谐波电势是零序性质的，因此不会出现在线电压中。主变压器低压侧通常是三角形接线，发电机中性点又采用高阻接地方式，正常运行时不存在三次谐波电流主通路。这时，三相绕组中的三次谐波电势通过绕组对地分布电容和发电机所连设备对地导纳，形成机端侧和中性点侧对地零序三次谐波电压和，两者大小与机端和中性点对地等值导纳成反比分配，两者之相量和正好与三次谐波等值电势相等。由于机端所连设备对地电容使机端等值电容增大，故通常有US<UN。为了提高灵敏性，需要在正常运行条件下事先尽量减小这个差别，以降低保护动作值（即降低定位），这样在发生接地故障时才能反映其间的微小变化，提高保护灵敏性。正常运行三次谐波等值电路，如图7-8所示。
图7-8 正常运行三次谐波等值电路
发生发电机定子接地故障时，接地点迫使绕组三次谐波电势按故障接地点分为两部分，使相应的和发生变化。当靠近中性点附近发生接地故障时，UN减小，Us增大。故障点越靠近中性点，UN减小得越多，而Us增大得越多。极端情况下，当中性点直接接地时，UN=0，因此，利用三次谐波电压和相对变化的特征可以有效地消除中性点附近的保护死区。定子单相接地三次谐波电压分布，如图7-9所示。
需要指出的是，即使在正常运行状态，三次谐波电势随发电机运行工况的改变而不断变化，使和亦发生变化。实际上当发电机输出的有功功率和无功功率改变时均会引起三次谐波电压的变化。因此直接单独根据和一个量的改变并不能作为发生接地故障的特征。因此，需要利用和的相对变化来实现定子绕组三次谐波电压原理的定子接地保护。现场测试结果可知三次谐波电压与运行工况的关系为：汽轮发电机的三次谐波电压与无功Q的关系不大，但是与有功P的关系比较显著，两者近于线性增长关系。
图7-9 定子单相接地三次谐波电压分布
(a)定子绕组单相接地时的三次谐波等值电路；
(b)Us和UN随接地点α变化的曲线
机端三次谐波电压幅值和中性点三次谐波电压幅值的比值||/||随有功P和Q的改变而变化很小，基本上可以认为是一个常数。
