我国配电网中性点接地方式主要采用中性点不接地和中性点经消弧线圈接地两种小电流接地方式,在单相接地故障下能够继续运行2个小时。但随着城市配电网电缆比例增加,故障电容电流增大,单相接地故障易演变为相间短路故障,导致故障扩大的后果。因此单相接地故障需要迅速切除。中性点经小电阻接地系统由于金属接地故障以及低阻接地故障特征明显,越来越多地被应用于城市配电网中。但小电阻接地系统中发生高阻接地故障时故障特征幅值明显降低,未发现的接地故障长时间不切除可能导致设备损坏、火灾以及人员伤亡等重大事故。自适应零序电流保护和反时限过流保护等常规频段方法特征量区分度较低,故障线路与健全线路间微小的故障特征差异难以区分,现有的方法仅能够识别2-3 kΩ的高阻接地故障。提升故障识别灵敏度与提升故障识别可靠性相互牵制,使得小电阻接地系统中高阻接地故障识别能力提升困难。因此小电阻接地系统中单相接地故障识别问题,尤其是高阻接地故障识别问题仍有待进一步研究。本文研究了小电阻接地系统中单相接地故障的稳态与暂态故障特征,并通过PSCAD仿真进行了验证。分析得出高阻接地故障识别中常规频段方法故障特征量区分度不足,以及常规互感器无法测量微弱的故障特征量的问题。针对特征量区分度不足的问题,提出了基于系统自身极低频零序电流信号的单相接地故障识别方法。为弥补系统自身极低频零序电流信号幅值受故障初始相角影响的问题,进一步提出了基于人为注入极低频信号的故障识别方法,通过在中性点串联无源注入源的方式向系统中注入稳定的极低频信号。搭建了典型小电阻接地系统仿真模型,对故障位置、故障初始相角与过渡电阻阻值等因素的影响进行了仿真。针对常规互感器无法测量微弱的故障特征量的问题,设计并研制了用于微安级极低频信号测量的全数字化磁调制器。并先后在山东电力科学研究院中低压配电网真型模拟系统与湖北武汉国家电网公司特高压交流试验基地对基于极低频信号的故障识别方法进行了半真型系统与真型系统实验验证。仿真和半真型系统与真型系统的实验结果显示,所提出的方法可将故障特征量区分度由常规频段方法的31.1提升至500以上,可成功识别过渡电阻达10 kΩ的单相接地故障,显示出所提出的方法具有良好的选择性、可靠性和实际应用前景。