TELKOM NIKA , Vol.13, No .1, March 2 0 1 5 , pp. 13~2 0   ISSN: 1693-6 930,  accredited  A  by DIKTI, De cree No: 58/DIK T I/Kep/2013   DOI :  10.12928/TELKOMNIKA.v13i1.1354        13      Re cei v ed Se ptem ber 29, 2014; Revi se d De ce m ber  22, 2014; Accepted Janu ary 10, 201 5   Lightning Air Terminal Collection Volume Assessmen t:  A New Technique and Device      Zainuddin Na w a w i 2 , Hus sein Ahm a d 1* , Muhammad Abu Bakar  Sidik 1,2 , Lim Pai Hung 1 Aulia 1 , Hamiz a h Shahroom 1 , Muhammad Irfan Ja mbak 2    Institute of High Volta ge a n d  High C u rr ent ( I VAT ) F a cult y   of Electrical En gin eeri ng, Un iv ersiti T e knolog i   Mala ysi a , 813 1 0  UT M Johor Bahru, Mal a ysia   Department o f  Electrical Eng i ne erin g, F a cul t y  of E ngi ne eri ng, Univ ersitas  Sri w i j a y a, Og a n  Ilir 306 62,  Sumatera Se la tan, Indon esia   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : hussei n @fke .utm.my       A b st r a ct  For bui ldi ngs,  structures an d  faciliti e s a  Li ghtni ng Pr otec tion Syste m  (L PS) is very i m portant.   T here  are s o me co mpon ents  that affe ct the  effectiveness  o f  LPS. One  of   the co mpon ent s is the  li ghtn i ng   air ter m in al. W i th referenc e to  the facil i ties r equ irin g li ghtn i ng pr otectio n  the p o sitio n , th e ap par ent he i ght,  and  the  a ngl of protecti on  of  li ghtni ng  air  te rmi nals  d e ter m ines  the  col l ect i on  vol u me  (C V) of th e pr ote c ted  area. The CV o f  direct strike li ght ni ng a i r termi nals c an ch a nge b e ca use o f  the facility is affected by nat ura l   disasters s u ch  as seis mic  tre m or  an d flo od.  If such  natur al disasters do h app en,  ther e a r e poss i bi lities  that  the faciliti e s w ill not b e  fully  protec ted fro m  direct li ghtni n g  strikes.  The buil d i ng a nd st ructure co uld  b e   mis a li gn ment a fter the seismic  tremor an d flo od rel a t ed to e a rth mov e me nt. So for the safety of equip m e n and  perso nn el,  lightn i n g  prote c tion syste m  ef ficacy assur a n c e is nec essar y . Therefor e, there sh ou ld b e  a  techni qu e a n d   devic e to   mon i tor the v a ri atio n of c o l l ectio n   volu me affor d e d  by  ev ery l i g h t ning  air  ter m i n al  on b u il din g s a n d  structures aft e r the  occ u rren c e of a n a tural  disaster. T h is  p aper  prese n ts a new  techn i q u e   as w e ll as a ne w  device to mo nitor the col l ect i on vol u me var i ation. A part of t he device w a s obtain ed fro m   a recycle d  mov eab le telev i sio n  anten na. Thi s  appro a ch  is n o t only practic a l, port abl e and  cost effective but   also i n corp orati ng the id ea of  env ir on me ntal  protectio n  an d recyclin g of us ed pl astic mate rials.     Ke y w ords :  lightning, lightning pr otection system , collection  volume, seis m i c, flood      1. Introduc tion   The protectio n  of a structu r e agai nst a dire ct  lightnin g  strike is a significa nt step in any   comp re hen si ve  lightnin g  prote c tion sy stem (LPS) . One of  the key  com pon e n ts  of any  di rect - stri ke p r ote c tion sy stem is the  lightnin g  rod o r  ai r te rminal  pla c ed  on the  stru cture [1]-[3]. In  determi ning  the lo catio n  of  the li ghtning   air te rm ina l , th e r e ar e tw r e la te d an d   eq u a lly impo r t a n t   asp e ct s that  must al so b e  measured i. e., prote c tion  area  afford e d  by ea ch ai r termin al an d   positio ning  of  the  air te rmi nals on  the  st ructu r e  to  achieve the  de sired  interce p tion effici en cy  [4]- [6].   On mo st turn key proj ect s  involving petroleum facilitie s, and ele c tri c al tran smi s si on and  distrib u tion n e twork mai n  intake LPS are  based on  Cone of Prote c tion / Protection Angle  Method, IEC 6230 5 [7]. Cone of Protecti on is the cr ea tion of virtual 3-D  con e  with  its apex poin t   is at the top most point of  t he standi ng  mast or m ono pole or ve rtical rod whethe r is sta nding  indep ende ntly or supp orte d by a buildin g stru ctur e. The virtual ligh t ning coll ectio n  volume is  sho w n in Fig u re 1 an d   Figure 2.  No wad a ys n a tural disast ers su ch  a s   flood and  earthq u a k e s  have  b een   frequ ently  occurre d  in some certain  area s [8]-[11] . These  co ndi tions will  ch a nge the  con d i t ion of land a nd  building i n  the affected a r eas h e n c e the gro und le vel following  the flood and earth qua ke occurre d  co u l d heave or  dwin dle [12]-[ 14]. If  the ground level  chang es the n  the lightning  air   terminal p r ot ective angl whi c h is  cal c ulated in reg a rdin g the la nd and  build ing befo r e th e   disa ster ta ke  place b e co me not reliab l e anymore  to provide a a ppro p ri ate protection [15]-[16].   Since, the  d i spla cem ent  indire ctly ch ange s t he  e n tire hei ght  of the install ed lightni ng  air  terminal.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA   Vol. 13, No. 1, March 2 015 :  13 – 20   14       (a)           (b)     Figure 1. Protection Angl e: (a) fac ility protected by a vertical lightni ng rod ai r term inal, a, is the  protective angle; (b) protected by a wire ai r termination or hori z ont al metallic conductor  indicated by  ts   for a pai r of standi ng ma st   m  of its equ ivalent   of height  h      The  reg ene ra tion of volum e  of p r ote c tio n  by la se r b e a m ba se d o n  Figu re  ca n be  a  mean to che ck the  buildi ng ori entatio n and mi sali gnment d ue  to seismic a c tivities and  flood  impact.   Figure 2 sh o w s the  colle ct ion volume s gene ra ted fro m  a pair of air terminal. In   Figure 2(b) t he environm ental di spla cement  du e t o  the seismic a c tivities a nd flood   results mi sali gnment of th e lightning  co llection volu m e . This in tim e  brin g ab out  some  pa rt of the  facility expose to lightning dire ct stri ke. In anothe wo rd the pro bab ility of lightning to strike th at  part of  con c e r n i s  hig her compa r ed to  o t her p a rts.  If  this sce n a r io  involves p e troleum  or oth e inflammabl e and explo s ive  items, t he co nse que nts of a dire ct stri ke  is very fatal [17]-[20].       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930       Lightning Air Term inal Coll ection Volum e  A ssessm e nt: A New Techni que ... (Zainuddi n Nawawi)  15     (a)           (b)     Figure 2.  The con e  volum e  of prote c tion gene rated f r om a pai r of air termin al. (a) Prio r to  sei s mic/floo d impact; (b ) T he misali gnm ent of the co ll ection volum e  result in ce rtain segm ent of  facility expose to light ning direct  stri ke      Visual in spe c tion could  be ca rri ed o u t but  of course there a r e so me dra w ba cks.  Therefore  the r sho u ld b e   a device to  cater a n y re sp onsi b le p e rso nnel to  ob serve any chan g i ng  of lightning ai r termin al pro t ective angl e on the fa cilities of  con c e r n .  This pa pe r pre s ent s a n e w   techni que  an d devi c e to  monitor the l i ghtning  air termin al p r ote c tion  angle.  By using  thi s   approa ch any  dynamic of p r otectio n  angl e can b e  mon i tored at all time.    Air term inal  displacem ent  Out o f   cove ra ge ar ea   Air term inal  displacem ent  O u t of   co v e r a ge  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA   Vol. 13, No. 1, March 2 015 :  13 – 20   16   2. Res earc h   Method   Few a s p e ct s of desig n ha ve been con s ide r ed in  th e developm e n t of the device i.e. (i)  variou s angl e s  of prote c tio n  as pe r req u irem ent based on the st anda rd con c ernin g  lightni ng   prote c tion, (ii )  hori z ontal  di spla cem ent d ue to ve rti c al  placement o f  the instrum ent wh en att a ch  to the te st lig htning  rod,  (iii ) rotation  of the  shaft  affixed la se r p o int e r, an (iv) re cording  the l a ser  focu s imag before  and  after the o c currence of  a nat ural di sa ster.  Figure 3 sh ows the devi c and the techn i que ge neral flowcha r t is sh own in    Figure  4  de scribe s  the wh o l e activities  in volving the use of the device.      Figure 3. The  various p a rt s and com pon ent to make u p  the device:    1) Main chassis – Remote control;   2) Shaft Driver  – Holl o w  co pp er rod;   3) Scre w   – M3  Scre w   w i th nut;   4) Main Platform – Acry lic board;   5) Angl e Shifte r – Alumin ium  block;    6) Stabil i zer –  Scre w s ;   7) Air terminal;   8) Air termina l hol der – PVC p i pe;    9) Laser b eam  hol der – Pi pe  Clip;    10) Las er Indic a tor – Laser  be am;   11) S w itch;    12) Battery  slot ;     13) PVC cou p li ng;   14) Shifter bas e – Pad locks;    15) Co nnect o r to anten na mo dem       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930       Lightning Air Term inal Coll ection Volum e  A ssessm e nt: A New Techni que ... (Zainuddi n Nawawi)  17     Figure 4. System functiona lity flowchart       The sen s itivity and re solu tion of the lase bea m image s ca ptu r ed i s  very critical to   determi ne the severity of sei s mi impact and flood displ a cement  forces to the facilities. T h came ra  sh ou ld be a n  infra-red type th at can  re co rd the lo w lu minosity la se r bea m an d they  sho u ld  co ntin uou sly re co rd  the im age while  t he i n st rume nt is u s ed. Th recorded i m age will  be pre s e r ved  for future refe ren c e.           (a)     (b)     Figure 5. The  image wa s reco rde d  by using a  came ra whi c h was  affixed at the  same p o sitio n (a) T he previous ima ge of lase r bea m focu s and (b ) T he later ima g e  of the laser  recorded  whe r there was mi salig nment h a s taken pla c     A systematic  error is d e riv ed from the e l ev ated positi oning of the d e vice whi c h i s  pla c ed  on top of the  l i ghtning  air te rminal  as  sh o w n in Err o r!  Referen ce s ource n o fo und. . This  fac t  is  seemi ngly un avoidable  except  when th e lase r poi nter  pla c em ent  is the same  point of the a pex   of the  air te rminal  and  th e devi c e i s  d e sig ned  a s   such  which i s   very thin  and  slim. B u t at  this  point of time, the length o f  the device i s  quite  si zabl e however if the actual  air terminal i s  o f   sub s tantial h e ight, the integrate d  erro r compo und e d  due to this on the imag e captu r ed b y  th e   came ra  is rel a tively negle c ted. Anothe sou r ce of   error  coul d b e  al so  eme r ge d if  the lig htning   air  Whe n e v er  t h e l a ser  poi nt er i s   bl oc ked   by any  obstacle aro und  th e sub j ect  or   displacem ent of  beam   focus, i t  will be  con s i d ere d  o u t  of   l i ght ni n g   c o vera ge  area B e fo re a ppl y i n g  t h e  de vi ce,  s e t  t h angl es  by  a d ju st i ng t h e l a ser   head to  an a pp ro p ria t p ositio Place the  de vice on top  of the   li g ht ni n g  ai r te rm inal  St art / m ove  t h e  devi ce by  usi n a n   infra  re d c o ntr o ller   C a pt ure  an p h o t o gra p h t h e  l a ser  beam  focus   Connects the  device with a m odem   an d pow er supp ly  Eval uat i o n ca n  be gi n o w  as t h cove ra ge ar ea  bei n g s h ow b y  t h laser po in ter  Hi g h l i ght  t h e c ove ra ge are a  a n d   pr ocee d t o  t h next  ai r t e rm i n al   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA   Vol. 13, No. 1, March 2 015 :  13 – 20   18   terminal i s  tilted. In Error!  Referen ce s ource no t fo und. , the fractional  comp arison bet we en  Y   and  h actual    and also  x’  –  x  with  h’ fi e l d    is  very small. T hus the  slight  image di spla ceme nt ca ptu r ed  by the came ra can b e  negl ected a nd a s sume q u ite correct.           Figure 6. Slight erro r bein g  introdu ced to  the measu r e m ent        Figure 7. The  erro r involve in the tilting of bu ilding which corre s po n d ingly tilt the lightning ai terminal     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930       Lightning Air Term inal Coll ection Volum e  A ssessm e nt: A New Techni que ... (Zainuddi n Nawawi)  19 3. Discus s ions   The n eed  to  evaluate th adeq ua cy of  lightni ng  protection  is  gain i ng mo re i m p o rtan ce   whe n  an  o c curren ce of  se ismic a c tivities a nd  al so  flood. Th e fa ct these natu r a l  disa ste r s ca n   cre a te enviro n mental di spl a cem ent whi c h sub s e quent ly affects the building  stru ctures a nd oth e structures –i nvolving the severa l of form utilities – especi ally  when consi deri n g the petrol e um   facilities  and power utiliti e s. Taking f o r granted that sei s mic  ac tivities in thi s  region  will  not  adversely affect the faciliti e s is   not acceptable in  rel a tion to in ternational p r ofe ssi onal p r a c ti ce and taki ng to o much  risk  whe n  involving with pet ro leum indu stri es. So the invention of this  techni que a n d  device i s  rather timely assistin g buil d ing mainte n ance perso n nel to audit the   building s  li gh tning p r ote c tion sy stem  a dequ acy a n d  with  some  form of  analy s is ca n p r ovi de  certai n forms of assessm ent of  degree of  sei s mic impact on i n frast r ucture  facilities. It i s  a  comm on  sce nario i n  wid e  application o f  laser fo me asu r em ent such  as tem p eratu r e, di sta n ce  and othe rs. T hus ma kin g  the usa ge of lase r beam s for the determ i nation of ligh t ning colle ctio n   volume varia t ion is go od  method. Th e  additional  h e ight bein g  i n trodu ce d to  the air term inal  whi c h is  subj ected to test  measure m e n t due to th e  size of the  device, intro d u ce a d e g r ee  of  error to the re sultant lightni ng coll ecti o n  volume gen erated by the laser b eam.       4. Conclu sion   In this  pap er, a ne w te ch nique  ha s b een i n trod uced. A ne d e vice  ha s be en al so   desi gne d and  con s tructe whi c h ma ke possibl e to re -evaluate th shiel d ing  angl e of a lightni n g   rod a nd sub s eq uently the  lightning col l ection volu m e  variation.  The testin g showed that this  techni que  ca n be straightforwardly appl ied and p r od u c ed a g ood re sult.      Referen ces   [1] Z  Naw a w i et  al.  ne w   tec h niq ue  an devi c e to  eva l u a te  li ghtni ng  air  t e rmina l c o ll ecti on v o lum e Electrical E ngi neer ing, Co mp uter Sciece a n d  Informatics . 201 4: 351- 354.   [2]  F  D' Alessa ndr o. Strikin g   dist ance  factors  a nd  practi ca l lig htnin g   ro d inst allati ons: a qu a n titative  stu d y Journ a l of Elec trostatics.  2003 ; 59: 25-41.   [3] N  Aleksa ndr ov et al. Initiatio n  and  dev elo p m ent of first lig htnin g  le ader:  T he effects of  coron ae a nd  positi on of li ght nin g  orig in.  Atm o s p heric res earch.  20 05; 7 6 : 307-3 29.   [4] MAB  Sidik et al. Stud y   on  the effective n e ss of lightni ng  rod tips in  c apturi ng li ghtn i ng le ad ers.  Sprin ger-Ver la g Berli n  Hei del berg.  20 12.   [5]  MAB Sidik,  Ahmad. On  th e Stud of Mo dern i zed  Li ght nin g  Air T e rmi nal.  Inter natio n a l R e view   of  Electrical E ngi neer ing (I.R.E.E).  2008; 3.  [6]  A Rizk, FA Riz k.  Lightni ng pr otection d e vice : w e t/dr y field sensitiv e air termi nal . ed: Go ogl e Patents .   201 1.  [7] IEC62305.  P r otection ag a i nst  li ghtni ng .  ed: Eur o p ean  Committ ee for E l ec trotechnic a l   Standar diz a tio n . 2010.   [8]  M Sugimoto, L  Dengler.  Lessons on vulner ability fr om  the  2011 Tohok u eart hquake for Indones ia and  the Unite d  States.  AGU F a ll Meetin g Abstract s. 2011: 02.   [9] A  Muhari et al . Exami natio of three practic a l run- up  mo de ls for assessin g  tsunami im p a ct on hi ghl pop ulat ed are a s Natural Ha zards an d Earth  System Scie n c e.  2011; 1 1 : 3107- 312 3.   [10]  W K  Lee, IN M oham ad. F l o o d  Econom y A p p r aisa l: A n  Over vie w   of the Ma la ysia n Sce nar io.  InCIEC  201 3 , ed: Sprin ger. 201 4: 263- 274.   [11] Y  Hasa nah et  al. F l ood  pre d ictio n  usi ng t r ansfer functi o n  mod e l of ra i n fall  and  w a te r dischar ge   appr oach i n  Ka tulamp a dam.  Proced ia Envir o n m e n tal Scie nces.  201 3; 17 : 317-32 6.  [12] ML  Z o b a ck ,  et  al.  Adv anc es i n  n a tural  ha z a rd scie n ce  an d  assess me nt, 196 3-20 13 20 13; 5 01: 8 1 - 154.   [13] HK  Che n ,  et al. Mode l an d  Applic atio n o n  Disp l acem en t Calcul atio n o f  Abutment b y  Consi deri n g   Earthqu ake Effects.  Applied Mechanics  and Materials.  20 1 2 ; 226: 12 97-1 303.   [14] S  Efraimiadou et al. Structural po un din g  b e t w e e n  ad jace nt buil d i ngs su bjecte d to strong gro u n d   motions. Part I I:  T he effect of multipl e  e a rth quak es.  Earthq uake E ngi ne eri ng & Structura l  Dyna mics.   201 3; 42: 152 9 - 154 5.  [15]  AE Abdel na b y ,  AS Elnash a i. Performanc e o f  degr ad in g rei n forced co ncre te frame s y ste m s under th e   T ohoku and C h ristchurc h  ear thquak e seq u e n ces.  Journ a l o f  Earthquak e Engi neer in g.  20 14.   [16] M  Cubri novsk i e t  a l . So il  li q u e f a c ti o n   e ffe cts i n  th e  ce n t ral   b u s in e ss di strict d u r i n g  th e  F e b r ua ry  2 011  Christch urch e a rthqu ake.  Sei s mo lo gica l Res earch L e tters.  201 1; 82: 893- 904.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA   Vol. 13, No. 1, March 2 015 :  13 – 20   20   [17]  O Z hao- y u n, N Hong-d an. Li g h tnin g Protecti on Princi pl e an d the  Improve m ent Scheme  of Petroleum   Ex traction.  Jou r nal of Meteor o l ogic a l R e sear ch and Ap pl ica t ion.  201 3, 2: 024.   [18] X  Re n ,  et  al. A nal ysis  a n d  e x perime n tal  i n v e stigati o n  of  di rect li ghtni ng  p r otection  for fl o a ting  ro of oi l   tanks.  Electric Pow e r Systems Researc h 20 13; 94: 13 4-13 9.  [19] A  Necci et al. Accident sc enar ios trigg e r ed b y  li ght n i n g  strike on at mosph e ric sto r age tanks.   Reli ab ility Eng i neer ing & System S a fety.  201 4; 127: 30- 46.   [20]  W  Jian. Eval u a tion  on  Lig h t n in g Strike R i s ks for  Instruments on  Site o f  Petrochemic a l  Enterpr i ses   and L i g h tnin g Protection Me a s ures.  T e chno l ogy & Econ omi cs in Petroche mic a ls.  20 11; 3 .         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.