由于发电机气隙磁通密度的非正旋分布和铁芯饱和的影响，其定子中的感应电动势除基波外，还含有三、五、七次等高次谐波。因为三次谐波具有零序分量的性质，在线电动势中它们虽然不存在，但在相电动势中亦然存在，设以E3表示之。
为便于分析，假定：
（1）把发电机每相绕组对地电容CG分成相等的两部分，每部CG/2分等效地分别集中在发电机的中性点N和机端S。
（2）将发电机端部引出线、升压变压器、厂用变压器以及电压互感器等设备的每相对地电容CS也等效的集中放在机端。
根据理论分析，在上述加设条件下，可得出下列结论：
（1）当发电机中性点绝缘时，发电机在正常运行情况下，机端S和中性点N处三次谐波电压之比为
US3/UN3=CG/(CG+2CS)<1
（2）当发电机中性点经消弧线圈接地时，若基波电容电流被完全补偿，发电机在正常运行情况下，机端S和中性点N处三次谐波电压之比为
US3/UN3=(7CG-2CS)/9(CG+2CS)<1
（3）不论发电机中性点是否接有消弧线圈，当在距发电机中性点α（中性点到故障点的匝数占每相分支总匝数的百分比）处发生定子绕组金属性单相接地时，中性点N和机端S处的三次处的三次谐波电压恒为
UN3=αE3 US3=(1-α)E3
如图所示
从右图中可以看出，UN3=f(α)、US3=f(α)皆为线性关系，它们相交于α=0.5处；当发电机中性点接地时，α=0，UN3=0，US3=E3；当机端接地时，α=1,UN3=E3，US3=0；当αUN3；当α>O.5时，恒有UN3>US3。
综上所述，用US3作为动作量，UN3作为制动量构成发电机定子绕组单相接地保护，且当US3>UN3时保护动作，则在发电机正常运行时保护不会误动，而在发电机中性点附近发生接地时，保护具有很高的灵敏度。用这种原理构成的发电机定子绕组单相接地保护，可以保护定子绕组中性点及其附近范围内的接地故障，对其余范围则可用反应基波零序电压的保护，从而构成了100%发电机定子绕组接地保护。