Optimization of the grounding resistance of the neutral in 20 kV networks according to the criteria of minimizing the significant value of the ground fault current and the overvoltage amplitude

Abstract

The main objective of this study is to determine the optimal resistance of transformer neutral resistive grounding in 20 kV distribution networks using clustering methods. The research aims to achieve a technical balance between limiting single-phase ground fault currents, minimizing overvoltages, and re-ducing system sensitivity to stochastic fluctuations in network parameters. To achieve this, the following tasks were accomplished: modeling of network operating modes with various grounding resistance values in MATLAB/Simulink; forming a dataset of single-phase ground fault current parameters and correspond-ing resistances; applying K-Means and DBSCAN clustering algorithms; and analyzing the results in accord-ance with regulatory standards, including IEC 60071-2.The key findings include the formation of three stable clusters with different fault current modes using the K-Means method, and the identification of a dense zone of characteristic parameters using DBSCAN, which revealed stable and unstable operating con-ditions. It was established that a resistance range of 50–70 Ohms is optimal in terms of overvoltage limita-tion and relay protection sensitivity. The cluster centroids reflect typical network operating modes and can be used as references for the design and practical selection of grounding resistance, ensuring both technical and economic feasibility.The significance of the results lies in a comprehensive and well-substantiated approach to the selection of grounding parameters, which ensures effective relay protection, reduces equip-ment damage risks during faults, and enhances reliability and selectivity in medium-voltage distribution networks. The proposed approach is universal and can be adapted to various network types, making it suit-able for further optimization of grounding systems within the Smart Grid concept.

Scopul principal al acestui studiu este determinarea valorii optime a rezistenței de împământare rezistivă a punctului neutru al transformatorului în rețele de distribuție de 20 kV, utilizând metode de analiză cluster. Cercetarea vizează obținerea unui echilibru tehnic între limitarea curentului de scurtcircuit monofazat la pământ, reducerea su-pratensiunilor și scăderea sensibilității sistemului la fluctuațiile stocastice ale parametrilor rețelei. Pentru atingerea acestor obiective, s-au realizat următoarele: modelarea regimurilor electrice în MATLAB/Simulink pentru diferite val-ori ale rezistenței de împământare; formarea unui set de date privind curenții de scurtcircuit la pământ și rezistențele aferente; aplicarea algoritmilor de clusterizare K-Means și DBSCAN; analiza rezultatelor în conformitate cu stand-ardele de reglementare, inclusiv IEC 60071-2.Printre cele mai importante rezultate se numără formarea a trei clustere stabile cu regimuri diferite de curent de defect, prin metoda K-Means, și identificarea unei zone dense de parametri caracteristici cu ajutorul metodei DBSCAN, ceea ce a permis evidențierea regimurilor stabile și instabile de funcționare. S-a stabilit că un interval de rezistență de 50–70 Ohmi este optim în ceea ce privește limitarea supratensi-unilor și sensibilitatea protecției prin relee. Centroizii clusterelor reflectă regimuri tipice de funcționare a rețelei și pot fi utilizați drept repere în proiectarea și alegerea practică a valorii de împământare, asigurând fezabilitatea tehnică și economică.Semnificația rezultatelor obținute constă într-o abordare complexă și justificată a selecției parametrilor de împământare, care asigură funcționarea eficientă a protecției prin relee, reduce riscurile de deteriorare a echipamentului în caz de avarie și crește fiabilitatea și selectivitatea rețelelor de distribuție de medie tensiune. Abordarea propusă este universală și poate fi adaptată la diverse tipuri de rețele, fiind adecvată pentru optimizarea ulterioară a schemelor de împământare, inclusiv în contextul conceptului Smart Grid.

Основныецели исследования заключаются в определении оптимального сопротивления рези-стивного заземления нейтрали трансформатора в распределительных сетях 20 кВ с использованием методов кластерного анализа. Исследование направлено на достижение технического балансамежду ограничением тока однофазного замыкания на землю, минимизацией перенапряжения, а также снижением чувствительности системы к стохастическим колебаниям в параметрах сети. Для достижения поставленных целей были решены следующие задачи: моделирование электрических режимов сети с различными значениями сопротивления за-земления в среде MATLAB/Simulink; формирование выборки параметров тока однофазного замыкания на землю (ОЗЗ) и соответствующих сопротивлений; кластеризация полученных данных методами K-Means иDBSCAN; анализ результатов с учетом нормативных требований, включая IEC 60071-2.Наиболее важными результатами являются: формирование трех устойчивых кластеров с различными режимами токов замыкания при помощи метода K-Means; выделение плотной зоны характерных параметров с помощью метода DBSCAN, что позволило выявить стабильные и нестабильные режимы эксплуатации. Установлено, что диапазон сопро-тивления 50–70 Ом является оптимальным с точки зрения требований по перенапряжениям и срабатыванию релейной защиты.Центроиды кластеров отражают типичные режимы эксплуатации сети, а значит, могут быть использованы как ориентиры при проектировании и практическом выборе сопротивления заземления, обеспе-чивая техническую и экономическую целесообразность решений.Значимостьполученных результатов заклю-чается в комплексном и обоснованном подходе к выбору параметров заземления, обеспечивающем эффектив-ную работу релейной защиты, снижение рисков повреждений оборудования при авариях, повышение надеж-ности и селективности в распределительных сетях среднего напряжения. Предлагаемый подход универсален, он может быть адаптирован к различным типам сетей и использован для дальнейшей оптимизации схем за-земления, в том числе в рамках концепции Smart Grid.