Analysis of lightning current distribution in lightning protection system and connected installation

The aim of this paper was to analyze lightning current distribution in a typical lightning protection system (LPS) and connected supplying electrical installation. Some preliminary tests done in 2012 for the real scale test house model equipped with the LPS and connected to the 15kV/400V supplying transformer station showed that the most of the current flew through the transformer grounding. Moreover, shapes of the current wave-forms in the LPS grounding rods were different from the surge, and strongly dependent of the transformer grounding characteristics. In order to make precise analysis a simple model of the LPS was prepared at the open test site. The model was a frame consisted of rectangular air terminals and two grounding rods. Transformer circuit was connected to the one side of the frame near the ground surface. The lightning stroke current was injected to the frame with application of 10/15 µs stroke generator of energy about 10 kJ. Measurement was done for several different configurations of the LPS, and for current amplitudes varied from 100 A up to 3 kA. The results indicated variation regarding both, the amplitude and the shape of the waveforms. The most significant changes were due to trans-former grounding influence. The rising time of the waveforms changed highly when the transformer was connected to the LPS. In correspondence to the current measurement total resistance was verified. The resistance was measured for several groundings individually and totally in respect to the generator surge location. Typical results were observed in this case. Further simulation was based on the evaluation of the generator current by the measured resistances in order to obtain theoretical currents in different points of the LPS. Direct comparison of measured and computed waveforms showed distinct character of the real circuit. Therefore, in order to improve current simulation accuracy the grounding system impedance should be considered rather than the pure resistance. Streszczenie. Celem artykulu byla analiza rozplywu prądu piorunowego w urządzeniu piorunochronnym oraz polączonej instalacji zasilającej. Testy generatorowe wykonane w 2012 roku na modelu domu wyposazonego w instalacje odgromową oraz podlączonego do transformatora 15kV/400V pokazaly, ze najwieksza cześc prądu udarowego odplywala do uziemienia transformatora. Ksztalty przebiegow prądowych w roznych punktach instalacji roznily sie, byly rowniez bardzo zalezne od rezystancji uziemienia stacji transformatorowej. W celu dokonania precyzyjniejszej weryfikacji przygotowano uproszczony model instalacji odgromowej w postaci prostokątnej ramki zlozonej z dwoch zwodow polączonych z uziomami pionowymi. Obwod transformatora byl polączony do jednego z uziemien ramki. Kilka odrebnych konfiguracji calego systemu zostalo zbadanych dla prądow w zakresie od 100 A do 3 kA. Rezultaty uwidocznily silną zmiennośc ksztaltu oraz amplitudy przebiegow prądowych. Najwiekszy wplyw miala wartośc rezystancji transformatora. Zweryfikowano rowniez wartośc rezystancji poszczegolnych elementow indywidualnie oraz rezystancje zastepczą calego systemu. Otrzymano wyniki zgodne z obliczeniami symulacyjnymi. Na bazie rezystancji oraz prądu na wyjściu generatora obliczono prądy teoretyczne w instalacji. Bezpośrednie porownanie z wartościami rzeczywistymi uwidocznilo pewne roznice. W celu poprawy dokladności odwzorowania rozplywu prądow konieczna jest weryfikacja z uwzglednieniem impedancji systemu, a nie wylącznie rezystancji. (Analiza rozplywu prądow udarowych w urządzeniu piorunochronnym oraz polączonej instalacji).