home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ ftp.cse.unsw.edu.au / 2014.06.ftp.cse.unsw.edu.au.tar / ftp.cse.unsw.edu.au / pub / doc / misc / lightning / Protection < prev    next >
Encoding:
Internet Message Format  |  1992-10-18  |  13.1 KB

  1. From hull@hao.UUCP (Howard Hull) Thu Aug  1 10:22:25 1985
  2. Relay-Version: version B 2.10.2 (MU) 9/23/84; site pyramids.OZ
  3. Posting-Version: version B 2.10.2 9/17/84; site hao.UUCP
  4. Path: pyramids!nestor!neology!basser!munnari!seismo!hao!hull
  5. From: hull@hao.UUCP (Howard Hull)
  6. Newsgroups: net.dcom
  7. Subject: Lightning Protection (long)
  8. Message-ID: <1668@hao.UUCP>
  9. Date: 31 Jul 85 23:22:25 GMT
  10. Date-Received: 13 Aug 85 02:27:15 GMT
  11. Distribution: net
  12. Organization: High Altitude Obs./NCAR, Boulder CO
  13. Lines: 199
  14.  
  15. Protecting one building or tower from lightning is fairly straightforward:
  16.  
  17.     1. First order protection -
  18.  
  19.        On the tallest object associated with your structure, mount an
  20.        extended umbrella-like fixture a few meters in diameter,
  21.        with numerous sharp points along the periphery and across the
  22.        crown, spaced about 1 meter apart.  (You can make the thing
  23.        from re-bar and heavy duty chicken wire unless you have high
  24.        winds like we have around here.)  Use a large diameter conductor
  25.        (1 to 2 cm.) to connect the umbrella points together at the
  26.        center and thence down to a suitable ground stake located at
  27.        a place where soil moisture is prevalent, but more importantly,
  28.        try to make the conductor run in a straight line with *no* sharp
  29.        corners; use a minimum radius of 1.5 meters on any bends in the
  30.        ground wire.  Keep this wire at least 2 meters from any power or
  31.        communications conduit at all places along its route.
  32.  
  33.        Theory:
  34.        The multitude of points will emit a trickle corona continuously,
  35.        resulting in a space charge of ionized air within 20 meters of
  36.        the umbrella.  The space charge will terminate the cloud-to-ground
  37.        electric field across a broad hemisphere and will reduce the local
  38.        field gradient to a value below that needed to form "leaders".
  39.        The umbrella will likely not ever be hit by lightning; however,
  40.        the conductor gauge is set to minimize the damage inherent in
  41.        such a strike.  (A strike, if it occurs, will likely be a
  42.        secondary, (resulting from the shift in electrostatic field just
  43.        after a strike) to another object within a fraction of a km.)
  44.        This approach, you should note, puts additional stress on your
  45.        neighbors (they will see a slight rise in their hit statistics)
  46.        as it only postpones the discharge until the cloud has moved
  47.        past your installation.  The ground conductor is spaced from
  48.        other conduits so that the Electromagnetic Pulse (EMP) associated
  49.        with the 10000 Ampere surge will not be able to develop equivalent
  50.        currents in parallel conductors adjacent to the ground wire.
  51.        Using a large diameter and avoiding bends reduces the per length
  52.        inductance discontinuities.  This discourages the abandonment of
  53.        your ground conductor in favor of nearby metal objects such as
  54.        power conduits (resulting in hazardous elevation of the system
  55.        ground potential to thousands of volts above the mains).
  56.  
  57.     2. Second order protection -
  58.        Protect your primary power entry by use of a surge protector
  59.        having four main elements a.) Line fuses for each hot main NO
  60.        FUSE FOR THE WHITE NEUTRAL.  No circuit breakers (too slow).
  61.        b.) Self extinguishing gas discharge tubes or arc chutes routed
  62.        to a primary ground stake *separated* by 3 or more meters from the
  63.        umbrella ground mentioned above, *not* using the same stake, even,
  64.        and using the same linear routing algorithm mentioned above.
  65.        c.) Heavy gauge inductors, 1 microhenry or thereabouts for typical
  66.        30 to 50 Ampere per phase service levels, to choke the surge out
  67.        of the consumer side of the system.  NONE IN THE WHITE NEUTRAL.
  68.        d.) Post choke line clamping to WHITE NEUTRAL.  This is where the
  69.        witchcraft comes in.  One candidate is the Metal Oxide Varistor
  70.        (MOV).  They have two disadvantages: They age, gradually reducing
  71.        their threshold over time until one day they evaporate in a ball
  72.        of fire during a line surge.  They have a rather remote threshold
  73.        characteristic compared to, say, a Silicon TransZorb.  They have
  74.        several advantages: They are cheap.  They come in packaging that
  75.        is familiar to professional electricians.  They are generally
  76.        more robust than Selenium or Silicon protectors.  They have a
  77.        smaller geometry than a Selenium protector.  Another candidate
  78.        is a combination protector made up from a ground referenced
  79.        50 Ampere triac in series with either a lower rated voltage
  80.        MOV or TransZorb element, with the triac gate wired back to (an
  81.        artfully positioned) tap on the gas tube/arc chute ground.  From
  82.        here (this stuff belongs in a fire-rated NEMA box) the WHITE
  83.        NEUTRAL and GREEN NEUTRAL are tied together at this one point
  84.        only, and passed through a medium size conductor to the primary
  85.        ground stake by a route that is separated by 1.5 meters from
  86.        the gas tube/arc chute ground.
  87.  
  88.        Theory:
  89.        If your power line gets hit, the gas tube fires and conducts the
  90.        surge current to ground.  The 20 kilovolts experienced by your
  91.        service entry (for about 10 microseconds) will go through the
  92.        chokes and will cause the MOV or complex protector shunt to break
  93.        down and draw a steadily rising current (to many tens of Amperes),
  94.        but immediately choked to a reduced voltage.  The fuses will, after
  95.        a while, be blown away.  Until then, the MOVs will clamp the
  96.        WHITE NEUTRAL to the mains (perhaps resulting in noticeable
  97.        rise of the common-mode voltage).  It is this common-mode elevation
  98.        which destroys your out-of-building communications interfaces.
  99.        With everything in the building coming to 2000 volts above your
  100.        neighbors (including your local telephone operating company),
  101.        any common-mode paths will be severely stressed.  However,
  102.        especially withing the building, they will be less stressed than
  103.        they would have been if the mains were allowed to diverge from
  104.        the WHITE NEUTRAL.
  105.  
  106.     3. Third level protection
  107.        The most effective common-mode protection is an Ultra-Isolator
  108.        Transformer.  It is also rather expensive compared to differential
  109.        line protectors and secondary Silicon TransZorb protectors.
  110.        Although many Ultra-Isolator Transformers were utilized during
  111.        the 1970's by sensitive computer installations, it was realized
  112.        eventually that the most damage to main-frame equipment was done
  113.        by differential surges (main to main on three-phase systems).
  114.        The common-mode threat was seen as too little to justify the
  115.        cost and complexity of installation of an ultra-isolator, which,
  116.        by the way, can also be done ineffectively, resulting in no net
  117.        improvement in the level of protection.  The companies that
  118.        make ultra-isolators issue complete and effective instructions
  119.        concerning their installation.  The difficulty is in getting
  120.        industrial electricians to follow the directions.
  121.        Thus for the benefit of the main-frame and peripheral power
  122.        supplies, for cost effective purposes, a good differential
  123.        surge eliminator inside the enclosure of each system power
  124.        supply is recommended.  However, remember that the common mode
  125.        is the most destructive to your distributed data communications
  126.        peripherals; unfortunately, to protect them you must provide
  127.        the entire computer room and distributed CRT terminal load with
  128.        an ultra-isolator transformer, or see that each unit is designed
  129.        to withstand momentary local and global differences of thousands
  130.        of volts on the signal returns.  Even then, on occasion, only one
  131.        violator located in a critical location and tied to a non-isolated
  132.        power system elsewhere in the building can blow the whole scheme.
  133.  
  134.        Theory:
  135.        Not much theory here.  The entire primary winding of the transformer
  136.        may get lifted to 2000 volts, but the secondary remains referenced
  137.        to the computer room ground stake.  The box shields around the the
  138.        windings are tied to the stake, and short out the electric field
  139.        that might otherwise couple to the secondary.  Saturation of the
  140.        transformer core protects the differential mode.  The differential
  141.        protectors installed in each power supply dissipate the surges
  142.        locally and since each takes a small part of the surge energy, no
  143.        concentration of damage will likely occur.
  144.  
  145.     4. Fourth order protection
  146.        You may get surge protectors for all communication lines leaving
  147.        the building.  Each will need a reliable path to a stout ground.
  148.        (DEC usually specifies that the computer frame GREEN WIRE ground
  149.        be done with a heavy gauge wire, and all surge protector grounds
  150.        be separately returned to the distribution transformer secondary
  151.        neutral grounding point.) You may add Silicon TransZorbs to power
  152.        supply rails in data communications equipment.
  153.  
  154.        Theory:
  155.        If one of your comm lines gets hit, or gets involved in an induced
  156.        surge, the elevation in voltage not dissipated by the protector is
  157.        conducted through the internal diode clamps included in most IC
  158.        line drivers and receivers to a ground or supply rail, and thence
  159.        to a TransZorb (a back-to-back zener with a heavy silver anode and
  160.        thermally conductive silver leads).  If enough protectors are in
  161.        place, the common-mode surge is clubbed to death by the collective
  162.        capability of all peripheral surge protectors operating together.
  163.  
  164. And that about does it.  Needless to say, if you do a good job of protecting
  165. your site, and one of your neighbors gets hit, you may be damaged anyhow by
  166. currents resulting from the elevation of your neighbor's electrical ground.
  167. This is especially true in Hawaii (and even more so on their mountain tops)
  168. where the ground is made of lava rock.  If you get hit by lightning, your
  169. entire site goes to 25000 volts with respect to the surrounding neighborhood.
  170. This bleeds down to appx 2000 volts over the next 100 microseconds or so.
  171.  
  172. If you have several buildings to worry about, such as may be the case for a
  173. university campus, putting an umbrella protector on every building will only
  174. cause the cloud to ground potential to develop to the point that when you
  175. finally do get a strike, it will be a *real killer*.  It has been pointed
  176. out elsewhere that most lightning strikes are from the ground up to the cloud.
  177. Thus, More Theory (speculation):
  178. I suspect that the mechanism is something like this:  Collisions of air
  179. molecules with each other and the things that make up the surface tend to
  180. knock electrons off the air molecules.  There are other charge pair generation
  181. mechanisms as well, such as natural radioactive decay of Radon 222 and its
  182. decay products.  (This specific mechanism is not my theory - see JGR Vol 90
  183. No D4 Pgs 5909-5916 June 30, 1985, Edward A Martell, NCAR.)  The electrons,
  184. because of their charge, are sticky.  They cling to the surfaces of various
  185. semi-insulators (rocks and dry dirt) and near the surface of conductors until
  186. enough of them are implanted to provide a counter electrical field gradient to
  187. repel later arrivals.  The positive air ions are separated by thermal energy,
  188. and molecular screening prevents the immediate recombination.  The charge
  189. separation is effected by the rising of the warmed positively ionized air.
  190.  
  191. Once the charge is separated, mutual repulsion drives the electrons into the
  192. conductive ground layers.  Later, as the air rises and water condenses,
  193. positively charged droplets accumulate in descending air columns at the front
  194. of the storm just ahead of the rising column.  A field gradient is thus
  195. established with respect to the ground, where all the electrons are.  As the
  196. ground is conductive, the electrons follow the cloud until, with the aid of
  197. conductive moisture and the turbulence of the rising and descending air column
  198. interface, leaders are established and a strike path is ionized and carried
  199. into the descending air.  The electrons travel up the path in a flash (parts
  200. of which will have oscillations at radio frequency) and then distribute
  201. themselves (at a more leisurely pace, accompanied with local flashes and
  202. secondary flashes) in accordance with upper level gradients until there is
  203. nolonger sufficient gradient to ionize the cloud-to-cloud paths.  Time scales:
  204.  
  205.  Main strike and individual secondary strikes each about 10 microseconds.
  206.  Duration of ionized path, reversals and secondaries about 100 microseconds.
  207.  Duration of high altitude electrical coronae readjustment about 1 millisecond.
  208.  
  209. Localized differences in the final potential may result in some reverse
  210. strikes from a few overcharged negative clouds to the ground, or subsequently
  211. more numerously (after air motion), cloud to cloud "readjustments".
  212.  
  213. Well, I've done it again.  Darn.  If this is too long, I suppose you should
  214. flame me for it, or if I am guilty of mis-representing known (un)truths, that
  215. would qualify as well.  But I wanted to at least try to clear up the nature
  216. of lightning and its hazards a little.
  217.                                      Howard Hull
  218. [If yet unproven concepts are outlawed in the range of discussion...
  219.                    ...Then only the deranged will discuss yet unproven concepts]
  220.         {ucbvax!hplabs | allegra!nbires | harpo!seismo } !hao!hull
  221.  
  222.  
  223. -- 
  224. Dave Horsfall (VK2KFU), Alcatel-STC Australia, dave@stcns3.stc.oz
  225. dave%stcns3.stc.OZ.AU@uunet.UU.NET, ...munnari!stcns3.stc.OZ.AU!dave
  226.     WordStar 4 - The thinking person's word processor
  227.