Direct Lightning protection Basis and ESE principle

Vincent Crevenat 11/06/10 Direct Lightning protection Basis and ESE principle Journée commerciales Décembre 2008 Page 1

Journée Commerciale Décembre 2008 Page 2 Basis

In 1750 Journée Commerciale Décembre 2008 Page 3

In 1750 Journée Commerciale Décembre 2008 Page 4

Upper atmosphere lightning Journée Commerciale Décembre 2008 Page 5

Types of Lightning Discharges Cloud discharges (67-75 %) Intracloud Cloud-tocloud Cloud-to-ground (25-33%) Cloud-to-air Types of lightning discharges from cumulonimbus Journée Commerciale Décembre 2008 Page 6

Four different cloud-to-ground flashes, according to Karl Berger (1978) + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + downward negative leader + + + + + + + + + + + + + + + + + upward positive leader + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + Journée Commerciale Décembre 2008 Page 7 + + + + + + + downward positive leader + + + + + + + upward negative leader

Downward flash Journée Commerciale Décembre 2008 Page 8 Alex Hermant

Alex Hermant Upward lightning Journée Commerciale Décembre 2008 Page 9

Lightning Phenomenon Basics - Creation of cumulonimbus in stormy conditions. - Water particles at the bottom of the clouds and ice particles in the upper part of the cloud. - Internal violent winds separates electric charges diameter : ~ 10 km height to top (anvil) : ~ 10 to 15 km height to basis : ~ 1 to 2 km mass of water : ~ 108 kg electric charge : ~ 100 C electric potential (CG) : ~ 100 MV duration : ~ 1 hour Journée Commerciale Décembre 2008 Page 10

Lightning Phenomenon Basics -Positive charges in the top of the cloud when negative are located at the bottom. (similar to a capacitor) - Under the influence of the negative charges of the bottom the cloud, the electric field at ground can be very high. - It also rise rapidly to reach 10 to 20kV/m which announce an imminent lightning strike. Journée Commerciale Décembre 2008 Page 11

E=-50kV/m 5 000 Volts E=-50kV/m E=-10kV/m E=-15kV/m Electric field at ground level Journée Commerciale Décembre 2008 Page 12

Electric field Journée Commerciale Décembre 2008 Page 13

Electric field Journée Commerciale Décembre 2008 Page 14

Electric field distribution on a complex structure during a thunderstorm. Journée Commerciale Décembre 2008 Page 15

Journée Commerciale Décembre 2008 Page 16 Lightning activity

Lightning Phenomenon Methods of detections Old method : counting by listening and seeing lightning; Each region get a KERAUNIQUE level Nk New method: Visible detection by NASA satellite Ground detection by SAFIR Ground detection by METEORAGE From which lightning density per year and Km² is deduced Ng Ng = Nk / 10 Journée Commerciale Décembre 2008 Page 17

Lightning Phenomenon Methods of detections Journée Commerciale Décembre 2008 Page 18

Lightning Phenomenon Methods of detections Journée Commerciale Décembre 2008 Page 19

Lightning Phenomenon Methods of detections Journée Commerciale Décembre 2008 Page 20

Lightning Phenomenon Methods of detections Journée Commerciale Décembre 2008 Page 21

Probability that lightning current parameters ( IEC 62305-1) LPL I II III IV Lightning number 0,99 0,98 0,97 and 0,97 Are smaller than the maximum 200 ka 150 ka 100 ka 100 ka Are greater than the minimum values 0,99 0,97 0,91 0,84 current values 3 ka 5 ka graph 10 ka 16 ka Total efficiency 0,98 0,95 0,92 0,81 More than 50% are less than 40KA 100/75/50 C 10/5,6/2,5 MJ/Ω Strike size and frequency Journée Commerciale Décembre 2008 Page 22

Journée Commerciale Décembre 2008 Page 23 Negative Lightning

Streak picture of multiple restrikes FLASH MULTIPLICITY After the first return stroke several restrike may be seen up to 12 in this photograph. Our extreme observation exhibited up to 34 restrikes! Negative lightning > 90% Journée Commerciale Décembre 2008 Page 24

Negative lightning > 90% Journée Commerciale Décembre 2008 Page 25

Negative lightning > 90% 30 to 40 ms 30 to 40 ms 0 100 500 0 100 0 100 s First lightning stroke Subsequent lightning stroke Journée Commerciale Décembre 2008 Page 26

Journée Commerciale Décembre 2008 Page 27 Positive Lightning

Alex Hermant Positive lightning < 10% Journée Commerciale Décembre 2008 Page 28

Negative lightning > 90% 0 0,1 100 500 ms Journée Commerciale Décembre 2008 Page 29

Lightning attachment Downward streamer Electric field E = -15kV/m to - 400kV/m Meeting Point 50 to 100m Upward streamer Positive Negative Journée Commerciale Décembre 2008 Page 31

Lightning attachment Downward streamer Electric field E = -15kV/m to - 400kV/m Meeting Point 50 to 100m Upward streamer Positive Negative Journée Commerciale Décembre 2008 Page 32

Lightning attachment Alex Hermant Journée Commerciale Décembre 2008 Page 33

Lightning attachment Alex Hermant Journée Commerciale Décembre 2008 Page 34

Journée Commerciale Décembre 2008 Page 35 Alex Hermant

Journée Commerciale Décembre 2008 Page 36 Grounding

Effect of changing ground resistances Leader competition Journée Commerciale Décembre 2008 Page 37

Lightning Phenomenon Grounding importance Journée Commerciale Décembre 2008 Page 38

Lightning Phenomenon Grounding importance 17 meters Journée Commerciale Décembre 2008 Page 39

Triggered lightning Observations in situ Modelling of lightning interception studies Laboratory Journée Commerciale Décembre 2008 Page 40

Triggered lightning Journée Commerciale Décembre 2008 Page 41

Triggered lightning Journée Commerciale Décembre 2008 Page 42

Triggered lightning Journée Commerciale Décembre 2008 Page 43

LEADER CURRENTS AT THE THREE EXPERIMENTAL SCALES 20 A 40 s LAB RENARDIERES 10 A 32 s NATURE GUMLEY D ALESSANDRO 0 100 200 300 400 Time in s TRIGGERED LIGHTNING ONERA 100 A full scale Journée Commerciale Décembre 2008 Page 44

Journée Commerciale Décembre 2008 Page 45 Observations in situ

Pic du Midi Observatory (France) Journée Commerciale Décembre 2008 Page 46

Journée Commerciale Décembre 2008 Page 47 INDONESIA

Langmuir labs, Socorro Experimental site Journée Commerciale Décembre 2008 Page 48

Comparison between sharp and blunt rods Journée Commerciale Décembre 2008 Page 49

Lightning rods struck by lightning at Soccorro Journée Commerciale Décembre 2008 Page 50

Lightning rods struck by lightning at Soccorro Journée Commerciale Décembre 2008 Page 51

Modelling of lightning interception Journée Commerciale Décembre 2008 Page 52

The Electrogeometric Model (EGM) The striking distance: D s =10.I 0.65 The protection lateral distance: OX H (2Ds / H) 1 S= H 2 (2D/H-1) Ds M The protected area: S H 2 (2D s / H 1) H Journée Commerciale Décembre 2008 Page 53 O Protected area X

Protected volume The areas touched by the sphere are deemed to require protection Trajectory of the center of the Rolling Sphere r s r s r s The Rolling Sphere concept Journée Commerciale Décembre 2008 Page 54

The generic models Static models Leader Progression Models Models with upward leader inception criterion Models without upward leader inception criterion CHOWDHURI model GRZYBOWSKI model HEIDLER model MAZUR-RUHNKE model Journée Commerciale Décembre 2008 Page 55 Without junction criterion LALANDE model With junction criterion RIZK model DELLERA-GARBAGNATI model ERIKSSON model (CVM) BERGER -AIT-AMAR model

Downward leader Downward leader Upward leader Upward leader ground Rod ground Rod Journée Commerciale Décembre 2008 Page 56

Lightning rod protection of a flat ground surface Downward leader Junction Upward leader Protection lateral distance Lightning rod Journée Commerciale Décembre 2008 Page 57

Altitude (m) Altitude (m) Altitude (m) Altitude (m) Altitude (m) Altitude (m) 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 200 200 Rod 1 h=40 m 180 180 Rod 1 h=40 m 160 160 Rod 1 h=40 m Junction Rod 2 h=30 m 140 Rod 2 h=30 m 140 Rod 2 h=30 m 120 Junction 120 Junction 100 100 80 80 60 60 40 40 Rod 1 Rod 2 20 Rod 1 Rod 2 20 Rod 1 Rod 2 0 0 0 20 40 60 80 100 120 0 20 40 60 80 100 120 0 20 40 60 80 100 120 Lateral distance (m) Lateral distance (m) Lateral distance (m) 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 180 180 Rod 1 h=40 m 160 Rod 1 h=40 m 160 Rod 1 h=40 m Rod 2 h=30 m 140 Rod 2 h=30 m 140 Rod 2 h=30 m Junction 120 Junction 120 Junction 100 100 80 80 60 60 40 40 Rod 1 Rod 2 20 Rod 1 Rod 2 20 0 0 Rod 1 Rod 2 0 20 40 60 80 100 120 0 20 40 60 80 100 120 0 20 40 60 80 100 120 140 Lateral distance (m) Lateral distance (m) Lateral distance (m) An illustration of the behaviour of two competing rods. I= 50 ka, Rv=1. Results Journée Commerciale Décembre 2008 Page 58

Downward leader Half sphere at fixed distance from the leader tip where the electric field is calculated Lightning rod A 3D visualisation of the used meshes Journée Commerciale Décembre 2008 Page 59

Journée Commerciale Décembre 2008 Page 60

Downward leader Downward leader Junction Upward leaders Junction H W Franklin rod h=11 m Upward leaders H W Franklin rod h=20 m A 3D illustration of the failure of the protection. Junction with the structure. I=10 ka, Rv=2, W=40 m, H=100 m A 3D illustration of a protected structure. Junction with the Franklin rod. I=10 ka, Rv=2 W=40 m, H=100 m. Results Journée Commerciale Décembre 2008 Page 61

Journée Commerciale Décembre 2008 Page 62

Upward leaders Lightning rod Downward oblique leader Junction Results Journée Commerciale Décembre 2008 Page 63 A 3D illustration of a protected structure stricken by an oblique downward leader. I=50 ka, Rv=1, lightning rod height h=11 m, structure height H=100 m and width W=40 m.

Upwards leaders Lightning rod, h=1m 1m An example of a competition between 2 upward leaders. Junction with the edges. I=10 ka, Rv=2, k d =3.1 Journée Commerciale Décembre 2008 Page 64

Studies in Laboratory Research on lightning attachment to ground in high voltage laboratory and in nature Journée Commerciale Décembre 2008 Page 65

Experiments in high voltage laboratory Journée Commerciale Décembre 2008 Page 66

Foreword Testing the efficiency of a LPS is not easily possible under natural stormy conditions. So, there is a general tendency to build up experiments in high voltage laboratory. However, scaling factors must be considered in order to restrict such a study to very specific aspects of lightning attachment such as the upward positive leader inception field measurement. In literature, so many reported experiments have been performed under conditions not representative of the natural electric field created by a negative downward leader, thus leading to erroneous interpretations. Journée Commerciale Décembre 2008 Page 67

Lightning upward leader in laboratory : electric field features Permanent field Impulse field Downward leader M 2km M 100 m An uniform field test gap must be used Journée Commerciale Décembre 2008 Page 68

Journée Commerciale Décembre 2008 Page 69

ABB-Helita Pulsar testing at IREQ Journée Commerciale Décembre 2008 Page 70

Diamètre= 6,06m l U dc =120kV H=6m E global =U/H U onde h=1,5m Journée commerciales Décembre 2008 Page 71

Wuhan High Voltage Research Institute State Grid Corporation of China Journée Commerciale Décembre 2008 Page 72

Early Streamer Emission lightning rod Evaluating process Journée Commerciale Décembre 2008 Page 73

Early Streamer Emission lightning rod Evaluating process Journée Commerciale Décembre 2008 Page 74

Polarisation field = -120kV Switching wave ESE Mean triggering voltage value :-1836,51kV SR Mean triggering voltage value :- 1933,87kV Journée commerciales Décembre 2008 Page 75

Upward leader inception fields PULSAR FRANKLIN E L E i kv/m Journée Commerciale Décembre 2008 Page 76

ESE: evaluation process N 1 2 ESE Simple Rod Tµs Journée Commerciale Décembre 2008 Page 77

Early Streamer Emission lightning rod Evaluating process Journée Commerciale Décembre 2008 Page 78

Pulsar Operating principle Pulsar not active in good weather E= 0,05 to 1 kv/m Impulse Voltage Emission E= 15 to 20 kv/m Journée Commerciale Décembre 2008 Page 79

Pulsar Operating principle PULSAR 30 Journée Commerciale Décembre 2008 Page 80

Pulsar Operating principle Journée Commerciale Décembre 2008 Page 81

Pulsar After important strikes Journée Commerciale Décembre 2008 Page 82

CAREFUL with FANCY TESTS!!! Pulse generator (1.2 50 wave) 1 = 2 h 1 = h 2 d 1 d 2 horizontal bar vertical rod h 1 h 2 d 1 = d 2 = 1,5 m P bar = P rod = 50% d 1 = d 2 + 2 cm P bar = 0% ; P rod = 100% d 1 = d 2-2 cm P bar = 100% ; P rod = 0% Journée Commerciale Décembre 2008 Page 83

Tom Warner s laboratory Journée Commerciale Décembre 2008 Page 84

Journée Commerciale Décembre 2008 Page 85

Journée Commerciale Décembre 2008 Page 86

Downward leader speeds Journée Commerciale Décembre 2008 Page 87

Types of protection Tight wire Used when not possible to fix elements on the building Journée Commerciale Décembre 2008 Page 88

Types of protection Meshed cage Passive solution. Costly solution Damage the esthetic of the building Journée Commerciale Décembre 2008 Page 89

Types of protection Simple rods Franklin rods Passive system that leads to instable priming Needs of several rods for large buildings Damage the esthetic of a building Journée Commerciale Décembre 2008 Page 90

Types of protection Early Streamer Emission Lightning rods (ESE) Active solution that captures the strike earlier than a passive solution => wider area of protection Cost effective solution : good ratio price / area to protect Very little impact on the esthetic of the building. Journée Commerciale Décembre 2008 Page 91

Rolling sphere theory Simulation of protection with Franklin rod I=14,7kA D=60m I=9,5kA N1 N3 N2 N4 D=45m I=5,2kA D=30m I=2,8kA D=20m Journée Commerciale Décembre 2008 Page 92

Rolling sphere theory Simulation of protection with Franklin rod D=60m D=60m D=60m Protected area D=60m Journée Commerciale Décembre 2008 Page 93

Early Streamer Emission lightning rod Evaluating process D=60m D=60m D=60m Protected D=60m area Journée Commerciale Décembre 2008 Page 94

Early Streamer Emission lightning rod Evaluating process Radius of protection (Rp): definition Rp= h (2D-h) Rp= (h(2d-h)+ L(2D+ L)) Simple Rod ESE h D h L D D D Rp Ground Rp Ground Journée Commerciale Décembre 2008 Page 95

ESE experience Statistics Number of ESE installed worldwide based on manufacturing in France and in Spain has been evaluated according to official statistics. This number is of course less than the overall number of ESE installed as some manufacturer production are not included especially coming from other countries than Spain and France. In 1986, which is the first year of available statistics, number of ESE was 4 088 when in 1996 it was already a cumulated number of 112 412 units. In 2009 the cumulated number of installed units is 550 000. Total number of ESE units per years is now 4 652 000. This means that experience is very long and important. Cumulated Installed Units Experience Journée Commerciale Décembre 2008 Page 96

ESE experience Frequently used, Used, rarely used Journée Commerciale Décembre 2008 Page 97

Environmental impact Journée Commerciale Décembre 2008 Page 98 40mx40mx10m & LPL: 4

Environmental impact QTE Codification Description Prix Public Unitaire (HT ) Prix Net (HT en Euros) PARATONNERRE 1 H0IMH3012 PULSAR 30 inox 2 m 1 246,3 1 246,3 1 H0HRI3502 Mât rallongé inox dia. 35 Lg 2 m 109,1 109,1 1 H0HPP4523 Platine support pour mât dia. 30 à 35 130,6 130,6 115 HCCPC2712 Ruban cuivre étamé 30 x 2 (le m) 9,0 1 035,0 20 HCCRC8000 Conducteur rond dia. 8 cuivre étamé (le m) 10,7 214,0 60 HCHCM2706 Crampon maçonnerie inox 30 mm 3,6 216,0 60 H0HCC2696 Cheville plomb pour crampon 30 mm 0,2 12,0 120 HCHPB2772 Plot support conducteur (clip) 5,1 612,0 1 H0BRH2779 Barrette "spéciale ruban" en cuivre 13,3 13,3 2 H0BRC2780 Barrette de raccordement cuivre 14,9 29,8 2 HCPRC8000 Cosse à semelle déportée dia. 8 mm 19,4 38,8 2 H0RPO2840 Raccord patte d'oie 46,1 92,2 2 H0RVH3073 Regard polyester béton avec barre d'équipotentialité 236,6 473,2 2 H0TPH2705 Tube de protection pour ruban 30 x 2 mm 27,0 54,0 6 HCPCS1920 Piquet cuivre-acier std dia. 19 mm Lg 2,10 m 26,5 159,0 2 H0BMA0019 Bouterolle manuelle dia. 19 mm 14,3 28,6 6 H0CRH4020 Cosse de raccordement dia. 15 à 20 mm et ruban 30x2 mm 15,3 91,8 SOUS-TOTAL 4 555,7 Journée Commerciale Décembre 2008 Page 99

Environmental impact QTE Codification Description Prix Public Unitaire (HT ) Prix Net (HT en Euros) PARATONNERRE 11 H0HPC5000 Pointe de choc de 0,500 m laiton nickelé * 135,7 1 492,7 11 H0PSH5002 Platine support plate petit modèle 24,5 269,5 360 HCCPC2712 Ruban cuivre étamé 30 x 2 (le m) 9,0 3 240,0 40 HCCRC8000 Conducteur rond dia. 8 cuivre étamé (le m) 10,7 428,0 240 HCHCM2706 Crampon maçonnerie inox 30 mm 3,6 864,0 240 H0HCC2696 Cheville plomb pour crampon 30 mm 0,2 48,0 720 HCHPB2772 Plot support conducteur (clip) 5,1 3 672,0 9 H0BRH2779 Barrette "spéciale ruban" en cuivre 13,3 119,7 8 H0BRC2780 Barrette de raccordement cuivre 14,9 119,2 120 H0HAR2845 Fixation PVC gris dia. 8 mm - maçonnerie 1,2 144,0 8 HCPRC8000 Cosse à semelle déportée dia. 8 mm 19,4 155,2 8 H0JCH2708 Joint de contrôle 26,5 212,0 8 H0BLH2707 Boîtier pour liaison équipotentielle 61,5 492,0 8 H0RVH3071 Regard de visite fonte 32,8 262,4 8 H0TPH2705 Tube de protection pour ruban 30 x 2 mm 27,0 216,0 16 HCPCS1920 Piquet cuivre-acier std dia. 19 mm Lg 2,10 m 26,5 424,0 8 H0BMA0019 Bouterolle manuelle dia. 19 mm 14,3 114,4 16 H0CRH4020 Cosse de raccordement dia. 15 à 20 mm et ruban 30x2 mm 15,3 244,8 SOUS-TOTAL 12 517,9 Journée Commerciale Décembre 2008 Page 100

Environmental impact shortname Impact Parametre Unit Meshed cage ESE Diference % of progres RMD Raw Material Depletion Y-1 1,78E-14 3E-12-2,9822E-12-68,38% ED Energy Depletion MJ 121,00 9 357,50-9 236,50-67,23% WD Water Depletion dm3 27,30 11 360,00-11 332,70-67,12% GW Global Warming g ~CO2 6 510 729 190-722 680-67,21% OD Ozone Depletion g ~CFC-11 0,000791 0,31393-0,313139-66,93% AT Air Toxicity m3 1 510 000 654 000 000-652 490 000-72,79% POC Photochemical Ozone Creation g ~C2H4 2,36 357,71-355,35-69,74% AA Air Acidification g ~H+ 1,19 458,80-457,61-67,75% WT Water Toxicity dm3 1 610 147 570-145 960-60,12% WE Water Eutrophication g ~PO4 0,13 33,26-33,13-62,12% HWP Hazardous Waste Production kg 0,08 10,60-10,52-83,01% total % of progres -68,40% note: A4 1.8 TFSI (160ch) 7,1 164 g/km 4 406,59 g of CO2 Journée Commerciale Décembre 2008 Page 101

Environmental impact Journée Commerciale Décembre 2008 Page 102

Environmental impact RMD (Raw Material Depletion), consommation des matières premières : cet indicateur calcule la consommation des ressources naturelles en prenant en compte la taille des réserves naturelles et le taux de consommation de l économie actuelle. ED (Energy Depletion), consommation d énergie : cet indicateur calcule la consommation d énergie, aussi bien issue de la combustion de combustibles (fossiles, uranium pour l énergie nucléaire, bois, etc.) que de sources alternatives (hydroélectricité, solaire, éolienne, marée motrice, etc.). L indicateur prend aussi en compte l énergie contenue dans les matériaux (qui est produite lors de leur combustion en fin de vie par exemple). WD (Water Depletion), consommation d eau : cet indicateur calcule la consommation d eau quelle que soit son origine ou sa qualité (potable, industrielle, etc.). GWP (Global Warming Potential) production de gaz à effet de serre : cet indicateur calcule la contribution au réchauffement global de la planète par l émission de gaz à effet de serre. OD (Ozone Depletion) diminution de la couche d ozone : cet indicateur calcule la contribution à la diminution de la couche d ozone stratosphérique par les émissions atmosphériques. AT (Air Toxicity) toxicité de l air : cet indicateur calcule la toxicité de l air ambiant (couche troposphérique), en prenant en compte les concentrations limites autorisées des émissions atmosphériques. POC (Photochemical Ozone Creation) création d ozone photochimique : cet indicateur calcule l ozone produite dans la couche troposphérique par l action des radiations solaires sur les émissions de gaz oxydants. AA (Air Acidification) acidification de l air : cet indicateur calcule l acidification de l air par les émissions atmosphériques. WE (Water Eutrophication) eutrophisation : cet indicateur calcule l eutrophisation (enrichissement en éléments nutritifs) des océans et des lacs par les effluents. WT (Water Toxicity) toxicité de l eau : cet indicateur calcule la toxicité de l eau en prenant en compte les concentrations limites autorisées des effluents. HWP (Hazardous Waste production) production de déchets dangereux : cet indicateur calcule la quantité de déchets dangereux produite pour un produit donné. Cette production s ajoute à l inventaire des flux de déchets dangereux de d Analyse du Cycle de Vie. Journée Commerciale Décembre 2008 Page 103

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