Резистивне заземлення нейтралі розподільної мережі 20 кВ
| dc.contributor.advisor | Кирик, Валерій Валентинович | |
| dc.contributor.author | Буряк, Анна Романівна | |
| dc.date.accessioned | 2026-05-14T09:16:11Z | |
| dc.date.available | 2026-05-14T09:16:11Z | |
| dc.date.issued | 2026 | |
| dc.description.abstract | Буряк А.Р. Резистивне заземлення нейтралі розподільної мережі 20 кВ. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 141 – Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2026. У дисертаційній роботі вирішується комплекс науково-прикладних завдань, пов’язаних із обґрунтуванням, моделюванням та оптимізацією режимів роботи розподільних електричних мереж середньої напруги 20 кВ за умов резистивного заземлення нейтралі. Актуальність теми зумовлена необхідністю підвищення надійності та безпеки функціонування розподільних мереж у процесі модернізації енергосистеми України – зокрема, переходу з класів напруг 6(10) кВ на 20 кВ, інтеграції відновлюваних джерел енергії та впровадження концепції Smart Grid. Дослідження поєднує аналіз сучасного стану мереж 20 кВ, розроблення математичних моделей та імітаційних сценаріїв аварійних режимів, а також застосування інтелектуальних методів аналізу даних для визначення оптимального опору нейтрального резистора. В результаті вибрано науково обґрунтовані підходи, які враховують складність і багатофакторність задачі, та доведено доцільність резистивного заземлення нейтралі як засобу підвищення показників надійності та електробезпеки мереж 20 кВ. У першому розділі дисертації проведено аналіз сучасного стану і тенденцій розвитку розподільних мереж напругою 20 кВ, що дозволило виявити ключові проблеми їх функціонування. Особливу увагу приділено аналізу режимів заземлення нейтралі – ізольованому, компенсованому та резистивному – та їх впливу на показники роботи мережі. Встановлено, що ізольована нейтраль різко підвищує ризик небезпечних перенапруг на неушкоджених фазах і ускладнює підтримання стійкості режиму, тоді як компенсоване заземлення нейтралі характеризується складністю практичної реалізації та недостатньою селективністю релейного захисту в умовах реальних аварій. Натомість показано, що резистивне заземлення нейтралі забезпечує найбільш збалансоване поєднання експлуатаційної надійності, електробезпеки та економічної доцільності. Водночас підкреслено, що ефективність цього підходу суттєво залежить від правильного вибору величини опору заземлювального резистора, що потребує розроблення науково обґрунтованих методів його визначення. В цілях пошуку перспективних напрямків вирішення зазначеної проблеми виконаний аналіз міжнародного досвіду впровадження мереж напругою 20 кВ: показано, що у Німеччині, Франції, Польщі та скандинавських країнах перехід до класу напруги 20 кВ із резистивним заземленням нейтралі довів свою ефективність і доцільність. Ці результати обґрунтували вибір напрямку подальших досліджень, орієнтованих на визначення оптимальних параметрів резистивного заземлення для розподільних мереж. Другий розділ присвячено методології дослідження, яка враховує складність і взаємозв’язок усіх етапів. Розроблено комплексний підхід, що поєднує детальне математичне моделювання післяаварійних режимів у програмних середовищах MATLAB/Simulink та DIgSILENT PowerFactory із застосуванням алгоритмів інтелектуальної обробки даних. Зокрема, для аналізу великого обсягу результатів моделювання використано методи нечіткого кластерного аналізу (алгоритми K-Means, DBSCAN, ієрархічна кластеризація). Сформовано репрезентативну вибірку параметрів мережі і аварійних ситуацій, визначено типові сценарії однофазних замикань на землю, перенапруг та роботи релейного захисту. Обґрунтовано доцільність застосування кластерного аналізу: цей підхід дозволив згрупувати схожі аварійні режими та виявити приховані закономірності, недоступні при традиційному аналізі. За допомогою кластеризації визначено оптимальні діапазони опору резистора нейтралі, за яких забезпечуються стійкість режимів і коректна робота захистів. Розроблений метод був апробований на множині сценаріїв і створив теоретико-методичне підґрунтя для подальших досліджень. У третьому розділі представлено створену математичну модель типової розподільної мережі 20 кВ та викладено результати її імітаційного дослідження. Модель враховує структуру міських і сільських мереж, параметри повітряних та кабельних ліній різної довжини, трансформаторів, характер навантаження, а також можливість підключення розподілених генераторів (відновлюваних джерел енергії). На основі цієї моделі проведено серію чисельних експериментів для різноманітних сценаріїв однофазних замикань на землю з різними значеннями опору нейтрального резистора. Результати моделювання показали, що правильний вибір опору резистора нейтралі суттєво впливає на розвиток аварійного режиму: при оптимальному опорі значно знижуються амплітуди струмів замикання на землю, обмежуються перенапруги на непошкоджених фазах і забезпечується коректне спрацювання релейного захисту без хибних або пропущених спрацювань. Порівняльний аналіз різних значень опору продемонстрував, що при резистивному заземленні з опором у середньому діапазоні досягається найкращий баланс між вимогами надійності та електробезпеки. Занадто малий опір (наближений до жорсткого заземлення) призводить до надмірно великих струмів КЗ і перевантаження обладнання, тоді як занадто великий опір (наближений до ізольованої нейтралі) спричиняє небезпечні перенапруги і ускладнює виявлення пошкоджень. Кластерний аналіз отриманих результатів дозволив виділити групи режимів із подібними характеристиками та точно окреслити діапазони параметрів, у межах яких мережа працює стабільно. На основі цього узагальнення запропоновано алгоритм підтримки прийняття рішень для вибору оптимального опору резистора нейтралі конкретної мережі. Цей алгоритм інтегрує результати імітаційного моделювання з методами кластеризації, автоматично визначаючи рекомендоване значення опору з урахуванням особливостей топології та режимів конкретної мережі. Запропонований підхід може бути реалізований у диспетчерських системах керування (SCADA, ADMS) для допомоги інженерам і операторам у режимі реального часу. У четвертому розділі розроблено практичні рекомендації щодо впровадження отриманих наукових результатів у діяльність операторів систем розподілу. Розглянуто питання інтеграції створеного алгоритму оптимізації опору нейтралі в існуючу інфраструктуру Smart Grid. Зокрема, запропоновано архітектуру цифрової платформи на основі концепції «цифрового двійника» розподільної мережі 20 кВ. Цифровий двійник мережі, оснащений інтелектуальним модулем кластерного аналізу, дозволяє у перспективі прогнозувати розвиток аварійних ситуацій і вживати превентивних заходів. Реалізація таких рішень відкриває можливості для адаптивного налаштування параметрів релейного захисту під поточний стан мережі, своєчасного переключення конфігурації мережі або підключення систем накопичення енергії з метою мінімізації наслідків аварій. Запровадження рекомендацій дисертації здатне підвищити ефективність експлуатації мереж – знизити частоту та масштаби відключень, покращити якість електропостачання та безпеку обслуговування мережевого обладнання. Наведено етапи практичної реалізації запропонованого підходу та обговорено питання сумісності з програмно-технічними комплексами сучасних розподільних компаній. Наукова новизна роботи полягає в тому, що вперше запропоновано використовувати методи кластерного аналізу для оптимізації параметрів режиму нейтралі розподільних мереж 20 кВ. Розроблено оригінальний алгоритм визначення оптимального діапазону опору резистивного заземлення нейтралі на основі поєднання результатів імітаційного моделювання з інтелектуальною обробкою даних. На відміну від відомих підходів, цей алгоритм враховує специфіку конкретної мережі (структуру, параметри та характер навантаження) і автоматично знаходить компромісне рішення, яке забезпечує високий рівень надійності та безпеки. Отримане рішення формує методичну базу, що може бути поширена на інші рівні напруги та інтегрована у сучасні системи керування електричними мережами (Smart Grid), розширюючи інструментарій управління режимами мереж з альтернативними джерелами енергії. Практичне значення результатів дисертації визначається можливістю їх безпосереднього впровадження у практику проєктування й експлуатації розподільних електричних мереж України. Використання розробленого алгоритму вибору опору нейтралі дає змогу енергетичним компаніям оптимізувати режими роботи мереж 20 кВ відповідно до реальних умов, підвищити надійність електропостачання споживачів та зменшити ризик технологічних порушень. Запропонований підхід сприяє також зниженню рівня аварійності та техногенних пошкоджень обладнання, обмеженню небезпечних перенапруг і втрат електроенергії при однофазних замиканнях. Важливо, що методика забезпечує ефективну інтеграцію відновлюваних джерел енергії та систем накопичення в розподільні мережі, підтримуючи стабільність і керованість енергосистеми за нових умов. Окремі результати дослідження вже впроваджено у навчальний процес кафедри електричних систем та мереж НТУУ «КПІ ім. Ігоря Сікорського» (для оновлення змісту дисциплін з діагностики та управління режимами електромереж), оприлюднено на фахових науково-технічних конференціях та опубліковано у профільних виданнях. таким чином, проведене дослідження робить вагомий внесок у підвищення надійності, безпеки й ефективності роботи розподільних мереж та створює передумови для подальшого розвитку інтелектуальних систем керування електроенергетичними комплексами. | |
| dc.description.abstractother | Buriak A.R. Resistive Neutral Grounding of 20 kV Distribution Networks. – Qualification research paper, manuscript. Dissertation for the degree of Doctor of Philosophy in speciality 141 – Electrical Power Engineering, Electrical Engineering and Electromechanics – National Technical University of Ukraine “Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute”, Kyiv, 2026. The dissertation presents a comprehensive investigation addressing a wide range of scientific and practical problems associated with the substantiation, modelling, optimisation and further enhancement of the operating conditions of medium-voltage 20 kV distribution networks implementing resistive neutral grounding. The relevance of the topic is determined by the urgent need to improve the reliability, stability and safety of distribution networks within the framework of the ongoing modernisation of the Ukrainian energy system. This includes the national transition from 6(10) kV to 20 kV voltage levels, active integration of renewable energy sources, widespread introduction of distributed generation units, and growing adoption of Smart Grid technologies and digital operation concepts. The performed research combines a detailed analysis of the present-day state of 20 kV distribution networks, the development of mathematical models and simulation setups for fault conditions, as well as the application of intelligent data-processing and clustering methods to justify and determine the optimal resistance value of the neutral grounding resistor. As a result, scientifically grounded approaches were selected that take into account the complexity, multifactor nature and variability of the problem, and the feasibility and effectiveness of resistive neutral grounding were demonstrated as a means of improving reliability, safety and efficiency in 20 kV distribution systems. The first chapter gives an in-depth analytical overview of the current trends and challenges faced by 20 kV distribution networks. This analysis made it possible to identify critical issues affecting their operational stability and long-term reliability. Special attention is devoted to a thorough examination of different neutral grounding schemes—isolated, compensated and resistive—and their influence on the behaviour, transient phenomena and overall performance of the network. It has been shown that the isolated neutral drastically increases the risk of dangerous overvoltage surges on healthy phases and complicates the maintenance of stable system conditions, while compensated neutral grounding, although theoretically attractive, suffers from substantial practical implementation difficulties and insufficient selectivity of protection systems in real fault scenarios. At the same time, resistive grounding has been demonstrated to offer a balanced and technically sound compromise between operational reliability, electrical safety and economic feasibility. It was also emphasised that the efficiency and protective capability of this grounding method strongly depend on the correct choice of the grounding resistor value, which necessitates the development of scientifically justified procedures for its determination. To identify promising research directions and compare the Ukrainian context with global trends, an extensive review of international experience in implementing 20 kV networks was performed. The analysis demonstrated that in Germany, France, Poland and the Scandinavian countries, the transition to 20 kV systems with resistive grounding proved not only feasible but also effective in achieving improved performance, enhanced controllability and reduced failure rates. These international results provided a strong justification for selecting the direction of further research focused on optimising resistive grounding parameters suitable for real-world Ukrainian distribution networks. The second chapter is devoted to the research methodology and describes a structured multi-stage approach that reflects the complexity and interconnection of all analytical, modelling and data-processing procedures. A unified methodological framework was proposed, which integrates detailed simulation of post-fault conditions in MATLAB/Simulink and DIgSILENT PowerFactory with advanced data-analysis algorithms. To efficiently process the large volumes of simulation data, methods of intelligent clustering (such as K-Means, DBSCAN and hierarchical clustering) were employed. A representative dataset was created that includes a broad spectrum of network parameters, network topologies, load characteristics and fault scenarios. Typical single-line-to-ground faults, various overvoltage conditions and protection- system reactions were systematically identified and analysed. The rationale for using cluster analysis was comprehensively substantiated. This approach enabled grouping fault scenarios with similar dynamic behaviour and identifying hidden patterns and interdependencies that are not apparent through traditional analysis methods. Through clustering, ranges of grounding resistor values were determined that ensure the stability of operating conditions, correct functioning of protection devices and a robust balance between safety and equipment loading. The proposed method was extensively tested on a wide set of simulated scenarios and formed a theoretical and methodological basis for further development of practical optimisation tools. The third chapter introduces the mathematical model of a typical 20 kV distribution network constructed for this research and presents the results obtained from its simulation-based investigation. The model accounts for the structural peculiarities of both urban and rural distribution networks, parameters of overhead and underground cable lines of various lengths, transformer characteristics, load profiles, and the integration of renewable energy sources or distributed generator units. Using this detailed model, a comprehensive series of numerical experiments was conducted for numerous single-line-to-ground fault scenarios with different grounding resistor values. Simulation results confirmed that the correct choice of the grounding resistor significantly affects the evolution and severity of fault regimes. When the resistor value falls within the optimal range, ground-fault current amplitudes are notably reduced, transient overvoltages on the healthy phases are effectively limited, and relay protection devices operate reliably without false or missing trips. Comparative analysis demonstrated that intermediate resistance values associated with resistive grounding ensure the best compromise between network reliability and electrical safety. Conversely, very low resistance values lead to excessively high fault currents and potential thermal or dynamic overload of equipment, whereas excessively high resistance values cause hazardous overvoltage stress and make fault detection substantially more difficult. Cluster analysis of the simulation results allowed identifying well-defined groups of operating modes, each characterized by specific dynamic and protective features. This, in turn, helped accurately define parameter ranges within which the network remains stable. Based on the identified patterns, a decision-support algorithm was developed for selecting the optimal resistor value for a particular distribution network. The algorithm integrates simulation results with clustering techniques, enabling automatic determination of recommended resistance values while accounting for the network’s topology, loading patterns and fault behaviour. The proposed algorithm can be integrated into distribution-management and dispatcher control systems (SCADA, ADMS), supporting engineering personnel in real-time decisionmaking. The fourth chapter develops practical guidelines for implementing the obtained results in the operation of Ukrainian distribution system operators. Particular attention is paid to the integration of the proposed optimisation algorithm within modern Smart Grid infrastructures. An advanced digital-platform architecture was proposed based on the concept of a “digital twin” of a 20 kV distribution network. Equipped with an intelligent clustering module, the digital twin assists in predicting the evolution of emergency situations and initiating preventive control actions. The adoption of such systems enables adaptive adjustment of protection settings in accordance with realtime network conditions, timely configuration changes, or the involvement of energystorage systems to mitigate the consequences of faults. Implementation of the dissertation’s recommendations can significantly enhance operational efficiency, reduce outage frequency and severity, improve the quality of electricity supply, and increase the safety of maintenance personnel. The stages of practical implementation were described, together with compatibility considerations with existing software and hardware infrastructures of modern distribution utilities. The scientific novelty of the work lies in the fact that, for the first time, cluster analysis methods were proposed for optimising neutral grounding parameters of 20 kV distribution networks. An original algorithm was developed for determining the optimal range of resistance for resistive neutral grounding based on the integration of simulation results with intelligent data analysis. Unlike existing approaches, this algorithm accounts for the specific structure, parameters, and load characteristics of a particular network and automatically identifies a compromise solution that ensures high levels of reliability and safety. The proposed solution forms a methodological basis that can be extended to other voltage levels and integrated into modern network control systems (Smart Grid), expanding the toolbox for managing networks with renewable energy sources. The practical significance of the dissertation results is determined by the possibility of their direct application in the design and operation of distribution networks in Ukraine. The application of the developed neutral resistance selection algorithm enables power companies to optimise the operating conditions of 20 kV networks under real-world circumstances, improve consumer power supply reliability, and reduce the risk of technological disturbances. The proposed approach also contributes to lowering accident rates and equipment damage, limiting dangerous overvoltages and reducing energy losses during single-line-to-ground faults. Importantly, the methodology supports the effective integration of renewable energy sources and energy storage systems into distribution networks, maintaining system stability and controllability under new operating conditions. Certain results of the research have already been implemented in the educational process of the Department of Electrical Networks and Systems at Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute (for updating courses on diagnostics and power network operation), presented at specialised scientific and technical conferences, and published in professional journals. Thus, the conducted research makes a significant contribution to improving the reliability, safety, and efficiency of distribution networks and creates prerequisites for further development of intelligent control systems in power engineering. | |
| dc.format.extent | 186 с. | |
| dc.identifier.citation | Буряк, А. Р. Резистивне заземлення нейтралі розподільної мережі 20 кВ : дис. … д-ра філософії : 141 Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка / Буряк Анна Романівна. - Київ. 2026. - 186 с. | |
| dc.identifier.uri | https://ela.kpi.ua/handle/123456789/80859 | |
| dc.language.iso | uk | |
| dc.publisher | КПІ ім. Ігоря Сікорського | |
| dc.publisher.place | Київ | |
| dc.subject | розподільні мережі | |
| dc.subject | напруга 20 кВ | |
| dc.subject | резистивне заземлення нейтралі | |
| dc.subject | математичне моделювання | |
| dc.subject | режимні параметри | |
| dc.subject | інтелектуальні технології | |
| dc.subject | нечітка кластеризація | |
| dc.subject | distribution networks | |
| dc.subject | 20 kV voltage | |
| dc.subject | resistive neutral grounding | |
| dc.subject | mathematical modelling | |
| dc.subject | operating parameters | |
| dc.subject | intelligent technologies | |
| dc.subject | fuzzy clustering | |
| dc.subject.udc | 621.311.1 | |
| dc.title | Резистивне заземлення нейтралі розподільної мережі 20 кВ | |
| dc.title.alternative | Resistive Neutral Grounding of 20 kV Distribution Networks | |
| dc.type | Thesis Doctoral |
Файли
Контейнер файлів
1 - 1 з 1
Ліцензійна угода
1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
- Назва:
- license.txt
- Розмір:
- 8.98 KB
- Формат:
- Item-specific license agreed upon to submission
- Опис: