home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Shareware Overload Trio 2 / Shareware Overload Trio Volume 2 (Chestnut CD-ROM).ISO / dir40 / lightng1.zip / LIGHTING.TXT
Text File  |  1993-04-22  |  23KB  |  473 lines

  1.  
  2.             A LAYMAN'S GUIDE TO SURGE "PROTECTORS"
  3.                     by Todd Preston
  4.  
  5. Ooooh I hate that "P" word.  The use of the word PROTECTORS is
  6. silly, as is the word ARRESTOR. They imply that you can PROTECT
  7. your electronics by ARRESTING the lightning.  (Fat chance static
  8. breath).  We should use the word divert...read on to see what I
  9. mean.
  10.  
  11. I have seen thousands of dollars spent on sophisticated
  12. electronics diversion devices, only to have massive damage occur
  13. to the supposedly protected equipment.  Why?...because the
  14. installers (or salespeople) lacked a fundamental technical grasp
  15. of what they were trying to accomplish.  You cannot stop a
  16. lightning strike.  Your job is to divert the energy safely away
  17. from your computer equipment.  The purpose of this document is to
  18. give you the knowledge required to do so.  Maybe we can take some
  19. mysteries out of the topic, and debunk some myths as we go.
  20.  
  21. Reinforcing your computer and its associated hardware against
  22. damaging impulses is an effort well worth undertaking.  While
  23. equipment replacement is inconvenient and costs dollars, lost
  24. data is lost data.  The damaging impulses can come from many
  25. places, but will enter your computer system by one of two ways.
  26.  
  27.                1. The electrical wall outlet.
  28.                2. The telephone modular jack.
  29.  
  30. Protect your computer from impulses coming in on the power and
  31. phone lines, and you have effectively built a sandbag dike around
  32. your computer system.  There is no way to reinforce the roof over
  33. your system (diverting a direct lightning strike.  Don't bother
  34. trying.  If lightning blows a hole in your roof, I doubt if
  35. you're going to be too concerned about your computer.
  36.  
  37. Damaging impulses can be broken down into two categories:
  38.  
  39.  Spikes
  40.  
  41.      Spikes are short lived, high level "blips" that ride into
  42.      your computer on top of the 117 volt level of the power
  43.      line, or on top of the signal level on the telephone line
  44.      connected to your modem.  If they are large enough, they
  45.      will usually blow out some components.  Spikes have rise
  46.      times in the nanosecond range, and pulse lengths up to 100
  47.      microseconds.  They are hard to remove, because they happen
  48.      so fast. Spikes are usually attributed to lightning strikes,
  49.      whether local or distant.  Their amplitude ranges from
  50.      hundreds to thousands of volts.  Spikes can cause
  51.      unexplained computer rebooting, system lockup, corrupted
  52.      data, equipment failure, etc.
  53.  
  54.  Surges
  55.      Surges are longer lived, lower level "waves" that ride atop
  56.      the 110 volt level of the power line.  They have rise times
  57.      in the microsecond range, and pulse lengths of up to a
  58.      second.  Surges are easy to "catch" because they are slower,
  59.      but are hard to remove.  (Since they last longer, they
  60.      contain much more power than spikes).  Surges are usually
  61.      attributed to motors: such as air conditioning and
  62.      refrigeration compressors, drill presses, air compressors,
  63.      pool pumps, etc.  Normally these types of motors pose few
  64.      transient problems to computers.  But when they come on line
  65.      in a locked rotor state (unable to start to move), or when
  66.      they blow up, they draw huge amounts of current.  This
  67.      lowers the line voltage.  When the fault goes away the line
  68.      voltage surges big time.  During an electrical storm, entire
  69.      city blocks of "motors" surge after a temporary blackout.
  70.  
  71. With todays electronic switching type of power supply, electronic
  72. equipment is less susceptible to surge damage than equipment was
  73. say 10 years ago.  That's all fine and dandy for manufacturers
  74. literature, but I don't want my electronics stuff seeing 375
  75. volts for 250 milliseconds!
  76.  
  77. The answer is the spike/surge diverter, which clamps the
  78. high-voltage pulse at tolerable levels.  So let's talk about how
  79. we can keep those killer pulses out of your electronics.  There
  80. are products on the market that are sucker buys, and many
  81. products that are not.  You can pay 40$ for a line cord, outlet,
  82. and a 25 cent MOV.  You think you're protected, but woe unto you.
  83.  
  84. Diverters come in four generic types.  Each type has its
  85. strengths and its weaknesses, which are outlined below.
  86.  
  87. A.  The special silicon avalanche diode (Transorb) offers:---
  88.  
  89.  + 1. Ideally fast response time. (in picoseconds)
  90.  + 2. Low level voltage threshold available.
  91.  + 3  Moderate cost.  ( $1.40 ea. @ 100+ quantity)
  92.  
  93.  - 1. Catastrophic failure at high current loads (above 500 amps)
  94.  
  95. B.  The Metal Oxide Varistor (MOV) offers:-------------------
  96.  
  97.  + 1. Very high load current capability. (up to about 5000 amps)
  98.  + 2. Dirt cheap
  99.  
  100.  - 1. Markedly slower reaction speeds. (in nanoseconds)
  101.  - 2. Effectiveness decays to nearly zero after heavy repetitive
  102.       activity.
  103.  
  104. C.  The lone gas discharge tube offers:---------------------
  105.  
  106.  + 1. Extremely high load current capability. (10,000+ amps)
  107.  
  108.  - 1. Even slower response time. (in microseconds)
  109.  - 2. Crowbar action blows circuit breaker.
  110.  - 3. High cost.
  111.  
  112.  
  113. D.  The hybrid designs offer:--------------------------
  114.  
  115.  + 1. The best of two or three products, by complementing
  116.       characteristics.
  117.  
  118.  - 1. Highest cost.
  119.  
  120.  
  121. I use all three components in my hybrid designs.  Here's why:
  122.  
  123.      The Transorb is the first to react, clamping the spike at
  124. the peak voltage level.  Before the Transorb blows up from
  125. passing to much current, the MOV "kicks in" and relieves the
  126. Transorb.  If there's enough sustained power in the spike to fire
  127. the gas tube (crowbar) then the MOV gets cut some slack.
  128.  
  129. The majority of the manufacturers have gone away from using the
  130. gas tube hybrids, and use hybrids that contain Transorbs and
  131. MOV's.  Some have internal auto reset circuit breakers, RF chokes
  132. (10 turns of # 14AWG enameled wire), and other features included
  133. in them.
  134.  
  135. Cheaper diverters may offer only one MOV, protecting only one of
  136. the three possible power line entry points for a voltage spike
  137. ("one-way diversion").  These cheap diverters are out there in
  138. mass.  Buyer beware.  Read the packaging!  If you buy in an
  139. over-the-counter store, ask the salesperson about the device (if
  140. you really are interested in a laugh).  As usual, the people at
  141. Radio Shack are quite helpful, and frequently quite
  142. knowledgeable; so they prove the exception to the rule.  The
  143. 'Shack offers quality products but does not currently offer
  144. anything other than good quality 3-way MOV based diverters.
  145.  
  146. They do offer an excellent line of UPS oriented equipment.
  147.  
  148. It is a tragedy to pay 20$ and up for something that comes in
  149. decorator colors and contains a single high voltage value MOV.
  150. These "gimmick" products are normally sold in
  151. "department/hardware/lumber" type stores. Once again, beware!
  152.  
  153. Non-crowbar diverters are rated according to:
  154.  
  155. response time:  time it takes to suppress the spike in
  156. nanoseconds
  157.  
  158. clamping level: (the peak voltage ((at a specified amperage))
  159.                 remaining after the device has sustained a
  160.                 6000-volt spike)
  161.  
  162. power rating:   (the maximum transient energy which can
  163.                 repeatedly be absorbed without failure,
  164.                 measured in joules).
  165.  
  166.  
  167. Since there are three power "legs" to protect in any circuit,
  168. true diversion boils down to meaning a three-way line network.
  169.  
  170.   Line (hot)-to-neutral -- (called differential or normal mode)
  171.   Ground-to-line --------- (called common mode)
  172.   Ground-to-neutral ------ (also called common mode)
  173.  
  174. Most manufacturers describe this as:
  175.  
  176.      Line to Line -- (differential mode)
  177.      Line to ground -- (common modes)
  178.  
  179.                        HOT             NEUTRAL
  180.                       LINE 1            LINE 2
  181.       GROUND            │                  │             GROUND
  182.         │               │                  │                │
  183.         │           ╔═══╧══════════════════╧═══╗            │
  184.         ├───────────╢      GAS      TUBE       ╟────────────┤
  185.         │           ╚═══╤══════════════════╤═══╝            │
  186.         │               │                  │                │
  187.         │               │                  │                │
  188.         │   ╔══════╗    │      ╔══════╗    │     ╔══════╗   │
  189.         ├───╢ VR 1 ╟────┼──────╢ VR 2 ╟────┼─────╢ VR 3 ╟───┤
  190.         │   ╚══════╝    │      ╚══════╝    │     ╚══════╝   │
  191.         │               │                  │                │
  192.         │   ╔══════╗    │      ╔══════╗    │     ╔══════╗   │
  193.         ├───╢ MOV 1╟────┼──────╢ MOV 2╟────┼─────╢ MOV 3╟───┤
  194.         │   ╚══════╝    │      ╚══════╝    │     ╚══════╝   │
  195.         │               │                  │                │
  196.         │             ╔═╧═╗              ╔═╧═╗              │
  197.                       ║ L ║              ║ L ║
  198.                       ║ 1 ║              ║ 2 ║
  199.                       ╚═══╝              ╚═══╝
  200.  
  201.  
  202.            For ease of illustration, two grounds are shown.
  203.  
  204.               VR1-VR3 are transorbs. (avalanche diodes)
  205.               L1-L2   are home-made chokes made of 10
  206.                       turns of #12AWG insulated wire
  207.  
  208.  
  209. This is the type of device that you would install as your #2
  210. defense.  (At the output of the sub-panel 117v breaker that feeds
  211. your computer)
  212.  
  213.  
  214. SSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSS
  215.     WARNING     WARNING      WARNING      WARNING      WARNING
  216.  
  217.    ALL OF THE TECHNIQUES, PROCEDURES, AND IDEAS CONTAINED   HERE-
  218.    IN DEAL WITH DANGEROUS 117/240 VOLT AC CURRENT. DO NOT ATTEMPT
  219.    ANY INSTALLATION OR MODIFICATION YOURSELF. CONTACT A QUALIFIED
  220.    ELECTRICIAN FOR ASSISTANCE. ALL THE FOLLOWING STATEMENTS APPLY
  221.    TO STANDARD 117/240 VOLT SERVICE ONLY.  FOR ANY 3 PHASE OR 440
  222.    VOLT PLUS CIRCUITS, YOU'RE STUPID IF YOU DO NOT CONTACT A
  223.              LICENSED ELECTRICIAN FOR ASSISTANCE
  224.  
  225.     WARNING     WARNING      WARNING      WARNING      WARNING
  226. SSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSS
  227.  
  228.  
  229.  
  230. Somebody smack me If I digress a few hundred more times...but
  231. here's an important clarification of terms, their use, and the
  232. criticalness of you understanding them.  We are bridging two
  233. totally different technical fields here, one being Electricity
  234. and the other being Electronics.  Terminology between the two is
  235. just close enough to be dangerous.
  236.  
  237. MAIN DISTRIBUTION PANEL:  There is a "Main Main" circuit breaker
  238. that is after the meter, which feeds all the breakers in the Main
  239. Distribution Panel.  This Main Breaker will feed such circuit
  240. breakers as:  House Main, Outbuilding Main, Garage Main, Air
  241. Conditioner, Pool Pump, Arc Welder, Outdoor Lites, etc.  You can
  242. think of this Main Breaker as your property's Main Disconnect.
  243. If you kill this breaker your shop loses power, along with your
  244. toaster, your sprinklers, and your porch light.  REMEMBER, THE
  245. HOT SIDE OF A BREAKER IS HOT, WHETHER THE BREAKER IS ON OR
  246. OFF!!!!!!!!...When you trip your "Main Main", the PANEL IS STILL
  247. HOT AND CAN KILL!
  248.  
  249. SUB PANEL:  Your Property may have several sub panels.  Each sub
  250. panel may or may not have its own "Sub Main" breaker.  You would
  251. have a sub panel in your house, in your garage, etc.  (Every
  252. place you have that is a "separate entity")  The typical sub
  253. panel would normally have its own sub main breaker, feeding
  254. multiple different breakers.
  255.  
  256. Rephrased, Each meter on your property should feed only one Main
  257. Distribution Panel, which should feed one or more independent Sub
  258. Panels.
  259.  
  260.  
  261. A pictorial...............
  262.  
  263. ╔═══════╦ ╔═══════╗   ╔═══════╗ ╔═════════════╗   ╔═══════════╗
  264. ║       ║ ║       ║   ║       ║ ║             ║   ║   JONES   ║
  265. ║ HIGH  ║ ║       ║   ║ JONES ║ ║   JONES     ║   ║           ║
  266. ║VOLTAGE║ ║       ║   ║       ║ ║             ║   ║SUBPANEL"A"║
  267. ║       ║ ║ TRANS ║   ║       ║ ║    MAIN     ║   ║           ║
  268. ║ POWER ╟─╢ FORMER╟─┬─╢ METER ╟─╢ DISTRIBUTION╟─┬─╢   INSIDE  ║
  269. ║ LINE  ║ ║       ║ │ ║       ║ ║    PANEL    ║ │ ║     THE   ║
  270. ║       ║ ║       ║ │ ║       ║ ║             ║ │ ║    HOUSE  ║
  271. ╚═══════╝ ╚═══════╝ │ ╚═══════╝ ╚═╤════════╤══╝ │ ╚═══════════╝
  272.                     │             │        │    │ ╔═══════════╗
  273.                     │             │        │    │ ║   JONES   ║
  274.                     │          ╔══╧══╗ ╔═══╧══╗ │ ║           ║
  275.                     │          ║JONES║ ║JONES ║ │ ║           ║
  276.                     │          ║POOL ║ ║STREET║ └─╢SUBPANEL"B"║
  277.                     │          ║PUMP ║ ║LIGHT ║   ║           ║
  278.                     │          ╚═════╝ ╚══════╝   ║   INSIDE  ║
  279.                     │                             ║     THE   ║
  280.                     │                             ║   GARAGE  ║
  281.                     │                             ╚═══════════╝
  282.                     │
  283.                     │ ╔═══════╗ ╔══════════════╗  ╔═══════════╗
  284.                     │ ║       ║ ║              ║  ║           ║
  285.                     │ ║ SMITHS║ ║    SMITHS    ║  ║  SMITHS   ║
  286.                     │ ║       ║ ║              ║  ║           ║
  287.                     └─╢       ╟─╢     MAIN     ╟──╢SUBPANEL"A"║
  288.                       ║       ║ ║ DISTRIBUTION ║  ║           ║
  289.                       ║ METER ║ ║              ║  ║  IN THE   ║
  290.                       ║       ║ ║     PANEL    ║  ║   HOUSE   ║
  291.                       ║       ║ ║              ║  ║           ║
  292.                       ╚═══════╝ ╚══════════════╝  ╚═══════════╝
  293.  
  294. The wire going to the screw of the circuit breaker is the hot
  295. line FOR THE DEVICES FED BY THAT BREAKER.  NOT THE HOT INPUT TO
  296. THE BREAKER.  If your panel is wired properly, this breaker
  297. output wire (device input) will be a black (hot) wire for 117v
  298. breakers, and a black (hot) & a red (hot) OR a black (hot) & a
  299. white (hot) for the ganged or two pole 240v breakers.  (( The
  300. coloration here depends on your local code, the age of the
  301. installation, and whodunit))  There will be two buss strips
  302. located on the side of the panel.  One will be the connect point
  303. for a bunch of white  (neutral)  wires,  and the other will be
  304. the connect point for a bunch of green or bare copper  (ground)
  305. wires.
  306.  
  307. Depending on the physical characteristics of the gas tubes and
  308. hybrid diverters, and whether the main distribution and subpanel
  309. are surface or flush mounted, you may end up having the
  310. electrician install them 3-4 feet from the panels. They will have
  311. to be connected using code approved methods.  Two lengths of 1/2"
  312. Sealtite<TM> and four Sealtite<TM> connectors will usually be
  313. acceptable, but you must check your local code to be sure.
  314.  
  315. First, let me describe an ideal diversion system for those of us
  316. on a budget.
  317.  
  318.      You can easily spend 10,000 dollars or more on grounding
  319. grids, Ufer grounds, dissipative arrays, etc.  Lets save those
  320. for the rich.  We'll do almost as good a job, at low cost.  Keep
  321. in mind that lightning diversion is system oriented.  That is,
  322. one facet of the system can be the best possible, and if any
  323. other portion of the system is deficient or ailing, then the
  324. whole system isn't work a hill of beans.  Even though some of the
  325. diversion components are electrically installed in parallel with
  326. the line, the diversion route is one simple series circuit.
  327. From cloud to a good earth ground.  The old loggers had the "a
  328. chain is only as strong as its weakest link" adage.  I guess
  329. that's why all those sayings were developed. (because they're
  330. true)    Anyway, here we go.
  331.  
  332.  
  333. 1.   A gas tube device at the building main distribution panel,
  334.      installed after (on the cold sides of) the main circuit
  335.      breaker that feeds the house subpanel. (NOT THE MAIN THAT
  336.      FEEDS THE MAIN PANEL). You want your gas tube on the cold
  337.      side of the House Main. See prior clarification.  I'm
  338.      assuming your computer is in your house.  If you're working
  339.      in your garage, change the words that read "...feeds the
  340.      house", to read "...feeds the garage."
  341.  
  342. APARTMENT DWELLERS:  This can nearly be an impossibility for
  343. those of you that live in an apartment.  However, I have had good
  344. success with going to the Maintenance Supervisor of the property,
  345. and explaining to him what I wanted to do.  Ask him to show you
  346. the meter room, this is where you will do most of your dirty
  347. work.  There are separate meters for each apartment, and these
  348. separate meters feed a small main distribution panel for your
  349. specific apartment.  This panel will have an apartment main
  350. breaker, along with possibly another for an air conditioning
  351. condensing unit.  You'll add your gas tube device here, after the
  352. apartment main.  It must be installed on the cold side of the
  353. apartment main breaker. (the side feeding your apartment, not the
  354. side coming from the meter).  Worst case, the utility company can
  355. be contacted to rotate (disconnect) your meter while the
  356. electrician installs your device.
  357.  
  358. HOMEOWNERS:  At least you can do what you wish on your own
  359. property. (sort of).  You still have to follow all the electrical
  360. codes for your State, County, and Municipality.  These codes are
  361. there for your protection, so don't snoot at them.  Locate your
  362. meter, and your main distribution panel should be right
  363. underneath. Hopefully it is surface mounted, and not flush
  364. mounted.  Surface mounts are so much easier to work with, because
  365. you don't have to rip the wall apart to wire in the gas tube
  366. device.  The gas tube is installed on the cold side of the
  367. Breaker that feeds the HOUSE SUBPANEL.  See prior clarification.
  368.  
  369. 2.   A hybrid at the house subpanel, placed on the cold side
  370.      of the circuit breaker controlling the wall outlet you will
  371.      be using.  I'm assuming your computer is located in your
  372.      house.  If you're working in your garage, then change the
  373.      words ..."house subpanel" to ..."garage subpanel".
  374.  
  375. (If your breakers aren't labeled, here's the opportune time
  376. to do so.)  Plug a portable radio into the desired outlet and
  377. turn it up.  Trip a breaker off (wait 2 seconds) and back on, one
  378. by one, till the sound  goes away.  You'll be dealing with a
  379. breaker that has only one "leg". That is a single 120 Volt
  380. breaker.  Any that are ganged together (trip one, another trips)
  381. or take up two slots in the panel, are 240 Volt breakers.  These
  382. would feed (supply power to) items such as: water heaters,
  383. stoves, dryers...  They better not be feeding your outlets!
  384.  
  385. 3.   An off the shelf 3-way MOV spike diverter screwed captive
  386.      into the DEDICATED duplex receptacle that will be serving
  387.      your computer equipment.  Screwed captive means that the MOV
  388.      diverter is provided with a screw that holds the device to
  389.      the duplex receptacle.  Most require removing the outlet
  390.      cover first.  This last line defense is the package that
  391.      contains two RJ-11 modular phone jacks that will be labeled
  392.      in/out, from phoneline/to modem, or something like that.
  393.      Spike diverters using MOV's should have a colored MOV status
  394.      lamp which goes out if the MOV fails.  In this failed
  395.      condition, the spike diverter will still usually pass
  396.      electrical current through to the equipment, but the current
  397.      will no longer be spike diverted.
  398.  
  399.  
  400.   After you have had the electrician install whatever diversion
  401. devices you elect to use, you may think that you are all set.
  402. NOT!  You have diverted the damaging spikes and surges, but to
  403. where?  The lightning was looking for  a way to get to a good
  404. earth ground, that's why it hit in the first place.
  405.  
  406.   You have to give the spikes and surges a real easy path to
  407. divert to or they will "laugh" at your attempts.  The most
  408. expensive diversion devices are useless unless there is an easy
  409. path for the diverted spikes and surges to dissipate into the
  410. earth.  I can tell you right now, that the schmutzy ground rod
  411. that the power company drove into the dirt 5 years ago near the
  412. base of the meter is not a satisfactory earth ground.  So here's
  413. what to do to make the whole project gel. Don't get disheartened,
  414. it's kinda fun.
  415.  
  416.   What you are going to do, is drive some ground rods in your
  417. lawn with a sledgehammer, and then connect them all together with
  418. bare copper wire.  Spend an hour or two figuring your materials
  419. list using the included worksheet and flowchart.  Don't hesitate
  420. to barter for some of the items, tools, or labor.  If you know
  421. your materials supplier, try trading them a ground network
  422. installation at their home for your materials and tools.
  423. Substitutions are fine on some items, and are noted where
  424. applicable.
  425.  
  426.   If your residence has any utilities that enter your home via
  427. underground cables; (phone, cable TV, electric, etc.); you must
  428. locate those cables before you do any digging. As a point of
  429. reference, the utility companies are responsible for maintenance
  430. on the cables up to and including the demarcation device.
  431.  
  432.   1. Call the appropriate utility company and tell them that you
  433.      are going to be digging in your yard, and you'd like them to
  434.      come out and mark (locate) their lines so you won't damage
  435.      them.  Most utility providers are ecstatic when people ask
  436.      before they dig.  When you call, ask them their name first
  437.      and write it down.  If you get a negative response from the
  438.      1st contact person, go up one supervisory level and try
  439.      again. (get the name before you ask). (If still negative,
  440.      advise them you will hold them personally liable if you are
  441.      injured or damage anything.)  Ask for a date that the
  442.      locator will arrive, and if possible, meet them.
  443.  
  444.   2. Watch them operate the detector, and don't hesitate to ask
  445.      questions.  They may locate your water input, if it's not
  446.      PVC pipe.  Leave their flags intact while you do your
  447.      rooting around.  I've known the locators to blow it big
  448.      time, and have seen a 2 foot diameter hole augered right
  449.      through a 50 pair phone cable.  The digging contractor was
  450.      not liable in any way, because the utility company had
  451.      "located" (albeit incorrectly) the lines.
  452.  
  453. On a sheet of paper, sketch the top view of your house, electric
  454. meter, and telephone demarc.  Include major trees, hedges,
  455. swimming pools, driveways, etc.  (as if you were in a hot air
  456. balloon looking down)  You are going to be doing this to scale,
  457. so let 1" equal 2' or whatever.
  458.  
  459. --------------------------------------
  460. End of Lightnin Divert P1 9/9
  461.  
  462.  
  463. I am debugging the flowchart required for the next steps.  They should
  464. be ready in a week (HA).  There will be a parts listing, sources, and
  465. maybe a glossary as well as digging and driving instructions.
  466.  
  467.   [Lightnin Divert P2 X/Y] ... Coming soon at your local theater.
  468.  
  469. My Thanx to John Mudge for assisting in the proofreading, and suggestion
  470. offering department.
  471.  
  472. Todd
  473.