home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Oakland CPM Archive / oakcpm.iso / cpm / gendoc / lightng.pqo / LIGHTNG.PRO
Text File  |  1985-08-22  |  12KB  |  234 lines

  1. Date: Wednesday, 31 July 1985
  2. From: Howard Hull
  3. Re:   Lightning Protection
  4.  
  5. Protecting one building or tower from lightning is fairly straightforward:
  6.  
  7. 1. First order protection -
  8.  
  9. On the tallest object associated with your structure, mount an
  10. extended umbrella-like fixture a few meters in diameter, with numerous
  11. sharp points along the periphery and across the crown, spaced about 1
  12. meter apart.  (You can make the thing from re-bar and heavy duty
  13. chicken wire unless you have high winds like we have around here.)
  14. Use a large diameter conductor (1 to 2 cm.) to connect the umbrella
  15. points together at the center and thence down to a suitable ground
  16. stake located at a place where soil moisture is prevalent, but more
  17. importantly, try to make the conductor run in a straight line with
  18. *no* sharp corners; use a minimum radius of 1.5 meters on any bends in
  19. the ground wire.  Keep this wire at least 2 meters from any power or
  20. communications conduit at all places along its route.  
  21.  
  22. Theory:
  23.  
  24. The multitude of points will emit a trickle corona continuously,
  25. resulting in a space charge of ionized air within 20 meters of the
  26. umbrella.  The space charge will terminate the cloud-to-ground
  27. electric field across a broad hemisphere and will reduce the local
  28. field gradient to a value below that needed to form "leaders".  The
  29. umbrella will likely not ever be hit by lightning; however, the
  30. conductor gauge is set to minimize the damage inherent in such a
  31. strike.  (A strike, if it occurs, will likely be a secondary,
  32. (resulting from the shift in electrostatic field just after a strike)
  33. to another object within a fraction of a km.)  This approach, you
  34. should note, puts additional stress on your neighbors (they will see a
  35. slight rise in their hit statistics) as it only postpones the
  36. discharge until the cloud has moved past your installation.  The
  37. ground conductor is spaced from other conduits so that the
  38. Electromagnetic Pulse (EMP) associated with the 10000 Ampere surge
  39. will not be able to develop equivalent currents in parallel conductors
  40. adjacent to the ground wire.  Using a large diameter and avoiding
  41. bends reduces the per length inductance discontinuities.  This
  42. discourages the abandonment of your ground conductor in favor of
  43. nearby metal objects such as power conduits (resulting in hazardous
  44. elevation of the system ground potential to thousands of volts above
  45. the mains).
  46.  
  47. 2. Second order protection -
  48.  
  49. Protect your primary power entry by use of a surge protector having
  50. four main elements
  51.  
  52. a.) Line fuses for each hot main NO FUSE FOR THE WHITE NEUTRAL.  No
  53. circuit breakers (too slow).
  54.  
  55. b.) Self extinguishing gas discharge tubes or arc chutes routed to a
  56. primary ground stake *separated* by 3 or more meters from the umbrella
  57. ground mentioned above, *not* using the same stake, even, and using
  58. the same linear routing algorithm mentioned above.
  59.  
  60. c.) Heavy gauge inductors, 1 microhenry or thereabouts for typical 30
  61. to 50 Ampere per phase service levels, to choke the surge out of the
  62. consumer side of the system.  NONE IN THE WHITE NEUTRAL.
  63.  
  64. d.) Post choke line clamping to WHITE NEUTRAL.  This is where the
  65. witchcraft comes in.  One candidate is the Metal Oxide Varistor (MOV).
  66. They have two disadvantages: They age, gradually reducing their
  67. threshold over time until one day they evaporate in a ball of fire
  68. during a line surge.  They have a rather remote threshold
  69. characteristic compared to, say, a Silicon TransZorb.  They have
  70. several advantages: They are cheap.  They come in packaging that is
  71. familiar to professional electricians.  They are generally more robust
  72. than Selenium or Silicon protectors.  They have a smaller geometry
  73. than a Selenium protector.  Another candidate is a combination
  74. protector made up from a ground referenced 50 Ampere triac in series
  75. with either a lower rated voltage MOV or TransZorb element, with the
  76. triac gate wired back to (an artfully positioned) tap on the gas
  77. tube/arc chute ground.  From here (this stuff belongs in a fire-rated
  78. NEMA box) the WHITE NEUTRAL and GREEN NEUTRAL are tied together at
  79. this one point only, and passed through a medium size conductor to the
  80. primary ground stake by a route that is separated by 1.5 meters from
  81. the gas tube/arc chute ground.
  82.  
  83. Theory:
  84.  
  85. If your power line gets hit, the gas tube fires and conducts the surge
  86. current to ground.  The 20 kilovolts experienced by your service entry
  87. (for about 10 microseconds) will go through the chokes and will cause
  88. the MOV or complex protector shunt to break down and draw a steadily
  89. rising current (to many tens of Amperes), but immediately choked to a
  90. reduced voltage.  The fuses will, after a while, be blown away.  Until
  91. then, the MOVs will clamp the WHITE NEUTRAL to the mains (perhaps
  92. resulting in noticeable rise of the common-mode voltage).  It is this
  93. common-mode elevation which destroys your out-of-building
  94. communications interfaces.  With everything in the building coming to
  95. 2000 volts above your neighbors (including your local telephone
  96. operating company), any common-mode paths will be severely stressed.
  97. However, especially withing the building, they will be less stressed
  98. than they would have been if the mains were allowed to diverge from
  99. the WHITE NEUTRAL.
  100.  
  101. 3. Third level protection
  102.  
  103. The most effective common-mode protection is an Ultra-Isolator
  104. Transformer.  It is also rather expensive compared to differential
  105. line protectors and secondary Silicon TransZorb protectors.  Although
  106. many Ultra-Isolator Transformers were utilized during the 1970's by
  107. sensitive computer installations, it was realized eventually that the
  108. most damage to main-frame equipment was done by differential surges
  109. (main to main on three-phase systems).  The common-mode threat was
  110. seen as too little to justify the cost and complexity of installation
  111. of an ultra-isolator, which, by the way, can also be done
  112. ineffectively, resulting in no net improvement in the level of
  113. protection.  The companies that make ultra-isolators issue complete
  114. and effective instructions concerning their installation.  The
  115. difficulty is in getting industrial electricians to follow the
  116. directions.  Thus for the benefit of the main-frame and peripheral
  117. power supplies, for cost effective purposes, a good differential surge
  118. eliminator inside the enclosure of each system power supply is
  119. recommended.  However, remember that the common mode is the most
  120. destructive to your distributed data communications peripherals;
  121. unfortunately, to protect them you must provide the entire computer
  122. room and distributed CRT terminal load with an ultra-isolator
  123. transformer, or see that each unit is designed to withstand momentary
  124. local and global differences of thousands of volts on the signal
  125. returns.  Even then, on occasion, only one violator located in a
  126. critical location and tied to a non-isolated power system elsewhere in
  127. the building can blow the whole scheme.  
  128.  
  129. Theory:
  130.  
  131. Not much theory here.  The entire primary winding of the transformer
  132. may get lifted to 2000 volts, but the secondary remains referenced to
  133. the computer room ground stake.  The box shields around the the
  134. windings are tied to the stake, and short out the electric field that
  135. might otherwise couple to the secondary.  Saturation of the
  136. transformer core protects the differential mode.  The differential
  137. protectors installed in each power supply dissipate the surges locally
  138. and since each takes a small part of the surge energy, no
  139. concentration of damage will likely occur.
  140.  
  141. 4. Fourth order protection
  142.  
  143. You may get surge protectors for all communication lines leaving the
  144. building.  Each will need a reliable path to a stout ground.  (DEC
  145. usually specifies that the computer frame GREEN WIRE ground be done
  146. with a heavy gauge wire, and all surge protector grounds be separately
  147. returned to the distribution transformer secondary neutral grounding
  148. point.) You may add Silicon TransZorbs to power supply rails in data
  149. communications equipment.
  150.  
  151. Theory:
  152.  
  153. If one of your comm lines gets hit, or gets involved in an induced
  154. surge, the elevation in voltage not dissipated by the protector is
  155. conducted through the internal diode clamps included in most IC line
  156. drivers and receivers to a ground or supply rail, and thence to a
  157. TransZorb (a back-to-back zener with a heavy silver anode and
  158. thermally conductive silver leads).  If enough protectors are in
  159. place, the common-mode surge is clubbed to death by the collective
  160. capability of all peripheral surge protectors operating together.
  161.  
  162. And that about does it.  Needless to say, if you do a good job of
  163. protecting your site, and one of your neighbors gets hit, you may be
  164. damaged anyhow by currents resulting from the elevation of your
  165. neighbor's electrical ground.  This is especially true in Hawaii (and
  166. even more so on their mountain tops) where the ground is made of lava
  167. rock.  If you get hit by lightning, your entire site goes to 25000
  168. volts with respect to the surrounding neighborhood.  This bleeds down
  169. to appx 2000 volts over the next 100 microseconds or so.
  170.  
  171. If you have several buildings to worry about, such as may be the case
  172. for a university campus, putting an umbrella protector on every
  173. building will only cause the cloud to ground potential to develop to
  174. the point that when you finally do get a strike, it will be a *real
  175. killer*.  It has been pointed out elsewhere that most lightning
  176. strikes are from the ground up to the cloud.
  177.  
  178. Thus, More Theory (speculation):
  179.  
  180. I suspect that the mechanism is something like this: Collisions of air
  181. molecules with each other and the things that make up the surface tend
  182. to knock electrons off the air molecules.  There are other charge pair
  183. generation mechanisms as well, such as natural radioactive decay of
  184. Radon 222 and its decay products.  (This specific mechanism is not my
  185. theory - see JGR Vol 90 No D4 Pgs 5909-5916 June 30, 1985, Edward A
  186. Martell, NCAR.)  The electrons, because of their charge, are sticky.
  187. They cling to the surfaces of various semi-insulators (rocks and dry
  188. dirt) and near the surface of conductors until enough of them are
  189. implanted to provide a counter electrical field gradient to repel
  190. later arrivals.  The positive air ions are separated by thermal
  191. energy, and molecular screening prevents the immediate recombination.
  192. The charge separation is effected by the rising of the warmed
  193. positively ionized air.
  194.  
  195. Once the charge is separated, mutual repulsion drives the electrons
  196. into the conductive ground layers.  Later, as the air rises and water
  197. condenses, positively charged droplets accumulate in descending air
  198. columns at the front of the storm just ahead of the rising column.  A
  199. field gradient is thus established with respect to the ground, where
  200. all the electrons are.  As the ground is conductive, the electrons
  201. follow the cloud until, with the aid of conductive moisture and the
  202. turbulence of the rising and descending air column interface, leaders
  203. are established and a strike path is ionized and carried into the
  204. descending air.  The electrons travel up the path in a flash (parts of
  205. which will have oscillations at radio frequency) and then distribute
  206. themselves (at a more leisurely pace, accompanied with local flashes
  207. and secondary flashes) in accordance with upper level gradients until
  208. there is nolonger sufficient gradient to ionize the cloud-to-cloud
  209. paths.
  210.  
  211. Time scales:
  212.  
  213. Main strike and individual secondary strikes each about 10
  214. microseconds.
  215.  
  216. Duration of ionized path, reversals and secondaries about 100
  217. microseconds.
  218.  
  219. Duration of high altitude electrical coronae readjustment about 1
  220. millisecond.
  221.  
  222. Localized differences in the final potential may result in some
  223. reverse strikes from a few overcharged negative clouds to the ground,
  224. or subsequently more numerously (after air motion), cloud to cloud
  225. "readjustments".
  226.  
  227. Well, I've done it again.  Darn.  If this is too long, I suppose you
  228. should flame me for it, or if I am guilty of mis-representing known
  229. (un)truths, that would qualify as well.  But I wanted to at least try
  230. to clear up the nature of lightning and its hazards a little.
  231.  
  232.                                                           Howard Hull
  233.         {ucbvax!hplabs | allegra!nbires | harpo!seismo } !hao!hull
  234.