IEC 60099-4:2004

INTERNATIONAL IEC
STANDARD 60099-4
Edition 2.1
2006-07
Edition 2:2004 consolidated with amendment 1:2006
Surge arresters –
Part 4:
Metal-oxide surge arresters without gaps
for a.c. systems
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INTERNATIONAL IEC
STANDARD 60099-4
Edition 2.1
2006-07
Edition 2:2004 consolidated with amendment 1:2006
Surge arresters –
Part 4:
Metal-oxide surge arresters without gaps
for a.c. systems
 IEC 2006 Copyright - all rights reserved
No part of this publication may be reproduced or utilized in any form or by any means, electronic or mechanical,
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60099-4  IEC:2004+A1:2006 – 3 –

CONTENTS
FOREWORD.13

INTRODUCTION.17

1 Scope.19

2 Normative references .19

3 Terms and definitions .21

4 Identification and classification .37

4.1 Arrester identification .37

4.2 Arrester classification .39

5 Standard ratings and service conditions .39
5.1 Standard rated voltages .39
5.2 Standard rated frequencies .39
5.3 Standard nominal discharge currents .39
5.4 Service conditions .41
6 Requirements .41
6.1 Insulation withstand of the arrester housing.41
6.2 Reference voltage .43
6.3 Residual voltages.43
6.4 Internal partial discharges .43
6.5 Seal leak rate .43
6.6 Current distribution in a multi-column arrester .43
6.7 Thermal stability.43
6.8 Long-duration current impulse withstand .43
6.9 Operating duty.45
6.10 Power-frequency voltage versus time characteristics of an arrester.51
6.11 Short-circuit.51
6.12 Disconnector .51
6.13 Requirements for auxiliary equipment such as grading components .51
6.14 Mechanical loads.51
6.15 Electromagnetic compatibility .53
6.16 End of life.53
6.17 Lightning impulse discharge capability .53
7 General testing procedure .53
7.1 Measuring equipment and accuracy .53

7.2 Reference voltage measurements .55
7.3 Test samples.55
8 Type tests (design tests) .55
8.1 General .55
8.2 Insulation withstand tests on the arrester housing .59
8.3 Residual voltage tests .61
8.4 Long-duration current impulse withstand test.67
8.5 Operating duty tests .71
8.6 Tests of arrester disconnectors/fault indicators.93
8.7 Short-circuit tests .97
8.8 Internal partial discharge tests .117

60099-4  IEC:2004+A1:2006 – 5 –

8.9 Test of the bending moment .117

8.10 Environmental tests.119

8.11 Seal leak rate test .121

8.12 Radio interference voltage (RIV) test.123

9 Routine tests and acceptance tests .125

9.1 Routine tests .125

9.2 Acceptance tests.127

10 Test requirements on polymer-housed surge arresters .131

10.1 Scope.131

10.2 Normative references .131
10.3 Terms and definitions .131
10.4 Identification and classification.131
10.5 Standard ratings and service conditions .131
10.6 Requirements.131
10.7 General testing procedure .133
10.8 Type tests (design tests) .133
11 Test requirements on gas-insulated metal enclosed arresters (GIS-arresters) .165
11.1 Scope.165
11.2 Normative references .165
11.3 Terms and definitions .165
11.4 Identification and classification.165
11.5 Standard ratings and service conditions .165
11.6 Requirements.167
11.7 General testing procedures .169
11.8 Type tests (design tests) .169
11.9 Routine tests .179
11.10 Test after erection on site.179
12 Separable and dead-front arresters .185
12.1 Scope.185
12.2 Normative references .185
12.3 Terms and definitions .185
12.4 Identification and classification.185
12.5 Standard ratings and service conditions .185
12.6 Requirements.185
12.7 General testing procedure .187
12.8 Type tests (design tests) .187
12.9 Routine tests and acceptance tests .199
13 Liquid-immersed arresters .199
13.1 Scope.199
13.2 Normative references .199
13.3 Terms and definitions .199
13.4 Identification and classification.199
13.5 Standard ratings and service conditions .201
13.6 Requirements.201
13.7 General testing procedure .201
13.8 Type tests (design tests) .201
13.9 Routine tests and acceptance tests .217

60099-4  IEC:2004+A1:2006 – 7 –

Annex A (normative) Abnormal service conditions .219

Annex B (normative) Test to verify thermal equivalency between complete arrester

and arrester section .221

Annex C (normative) Requirements for high lightning duty arresters

for voltage range 1 kV to 52 kV.223

Annex D (normative) Procedure to verify the power-frequency voltage-versus-time

characteristics of an arrester.229

Annex E (informative) Guide to selection of line discharge class.233

Annex F (normative) Artificial pollution test with respect to the thermal stress

on porcelain-housed multi-unit metal-oxide surge arresters.237

Annex G (informative) Typical information given with enquiries and tenders .267
Annex H (informative) Typical circuit for high current impulse operating duty test
(see 8.5.4) .273
Annex I (informative) Typical circuit for a distributed constant impulse generator
for the long duration current impulse withstand test (see 8.4) .277
Annex J (informative) Typical maximum residual voltages .279
Annex K (informative) Ageing test procedure – Arrhenius law –
Problems with higher temperatures.281
Annex L (informative) Guide for the determination of the voltage distribution
along metal-oxide surge arresters.285
Annex M (normative) Mechanical considerations .301
Annex N (normative) Test procedure to determine the lightning impulse
discharge capability .309

Bibliography.315

Figure 1 – Operating duty test on 10 000 A line discharge Class 1, 5 000 A, 2 500 A
and 1 500 A arresters (see 8.5.4).47
Figure 2 – Operating duty test on 10 000 A arresters line discharge Classes 2 and 3
and 20 000 A arresters line discharge Classes 4 and 5 (see 8.5.5) .49
Figure 3 – Power losses of the arrester at elevated temperatures versus time .75
Figure 4 – Thermal stability test on 10 000 A line discharge Class 1, 5 000 A, 2 500 A
and 1 500 A arresters .129
Figure 5 – Thermal stability test on 10 000 A arresters line discharge Classes 2 and 3
and 20 000 A arresters line discharge Classes 4 and 5.131

Figure 6 – Thermomechanical test .153
Figure 7 – Example of the test arrangement for the thermomechanical test

and direction of the cantilever load .155
Figure 8 – Water immersion .157
Figure 9 – Example of an accelerated weather ageing cycle under operating voltage
(according to IEC 61109) .163
Figure 10 – Another example of an accelerated weather ageing cycle.165
Figure 11 – Test set-up for insulation withstand test ofseparable arresters
in insulating housings .189

60099-4  IEC:2004+A1:2006 – 9 –

Figure 12 – Power losses of arrester at elevated temperatures versus time .207

Figure 13 – Examples of arrester units.113

Figure 14 – Short-circuit test setup .115

Figure 15 – Example of a test circuit for re-applying pre-failing circuit immediately

before applying the short-circuit test current .117

Figure C.1 – Operating duty test on 20 000 A high lightning duty arresters .227

Figure C.2 – Thermal stability test on 20 000 A high lightning duty arresters (see 9.2.2).227

Figure D.1 – Test on 10 000 A line discharge class 1, 5 000 A, 2 500 A

and 1 500 A arresters .229

Figure D.2 – Test on 20 000 A high lightning duty arresters .231
Figure D.3 – Test on 10 000 A arresters, line discharge Classes 2 and 3
and 20 000 A arresters, line discharge Classes 4 and 5.231
Figure E.1 – Specific energy in kJ per kV rating dependant on the ratio of switching
impulse residual voltage (U ) to the r.m.s. value of the rated voltage U of the arrester.235
a r
Figure F.1 – Flow-chart showing the procedure for determining the preheating
of a test sample .243
Figure H.1 – Typical test circuit diagram for high current impulse operating duty test.273
Figure I.1 – Typical distributed constant impulse generator
for the long-duration impulse test.277
Figure L.1 – Typical three-phase arrester installation.295
Figure L.2 – Simplified multi-stage equivalent circuit of an arrester.295
Figure L.3 – Geometry of arrester model.297
Figure L.4 – Example of voltage-current characteristic of metal-oxide resistors
at +20 °C in the leakage current region.299
Figure L.5 – Calculated voltage stress along the resistor column in case B.299
Figure M.1 – Bending moment – multi-unit surge arrester .301
Figure M.2 – Surge arrester unit .305
Figure M.3 – Surge-arrester dimensions .307

Table 1 – Arrester classification.39
Table 2 – Steps of rated voltages.39
a
Table 3 – Arrester type tests .57
Table 4 – Peak currents for switching impulse residual voltage test .67

Table 5 – Parameters for the line discharge test on 20 000 A and 10 000 A arresters .69
Table 6 – Requirements for the long-duration current impulse test on 5 000 A
and 2 500 A arresters .71
Table 7 – Determination of elevated rated and continuous operating voltages .77
Table 8 – Requirements for high current impulses .87
Table 14 – Test requirements .109
Table 15 – Required currents for short-circuit tests.111

60099-4  IEC:2004+A1:2006 – 11 –

Table 8 – Requirements for high current impulses .139

Table 9 – 10 000 A and 20 000 A three–phase GIS–arresters –

Required withstand voltages .181

Table 10 – 1 500 A, 2 500 A and 5 000 A three – phase – GIS arresters –

Required withstand voltages .183

Table 11 – Insulation withstand test voltages for unscreened separable arresters.189

Table 12 – Insulation withstand test voltages for dead-front arresters

or separable arresters in a screened housing.189

Table 8 – Requirements for high current impulses .193

Table 13 – Partial discharge test values for separable and dead-front arresters.199
Table 7 – Determination of elevated rated and continuous operating voltages .207
Table 8 – Requirements for high current impulses .209
a
Table C.1 – Test requirements on 20 000 A high lightning duty arresters .225
Table F.1 – Mean external charge for different pollution severities.245
Table F.2 – Characteristic of the sample used for the pollution test.247
Table F.3 – Requirements for the device used for the measurement of the charge.249
Table F.4 – Requirements for the device used for the measurement of the temperature.251
Table F.5 – Calculated values of ΔT for the selected example .263
z max
Table F.6 – Results of the salt fog test for the selected example.263
Table F.7 – Calculated values of ΔT and of T after 5 cycles
z OD
for the selected example.265
Table F.8 – Calculated values of ΔT and of T
after 10 cycles
z OD
for the selected example.265
Table J.1 – Residual voltages for 20 000 A and 10 000 A arresters in per unit
of rated voltage.279
Table J.2 – Residual voltages for 5 000 A, 2 500 A and 1 500 A arresters in per unit
of rated voltage.279
Table K.1 – Minimum demonstrated lifetime prediction .281
Table K.2 – Relationship between test durations at 115 °C and equivalent time
at upper limit of ambient temperature.283
Table L.1 – Results from example calculations .293

60099-4  IEC:2004+A1:2006 – 13 –

INTERNATIONAL ELECTROTECHNICAL COMMISSION

––––––––––––
SURGE ARRESTERS –
Part 4: Metal-oxide surge arresters without gaps

for a.c. systems
FOREWORD
1) The International Electrotechnical Commission (IEC) is a worldwide organization for standardization comprising
all national electrotechnical committees (IEC National Committees). The object of IEC is to promote
international co-operation on all questions concerning standardization in the electrical and electronic fields. To
this end and in addition to other activities, IEC publishes International Standards, Technical Specifications,
Technical Reports, Publicly Available Specifications (PAS) and Guides (hereafter referred to as “IEC
Publication(s)”). Their preparation is entrusted to technical committees; any IEC National Committee interested
in the subject dealt with may participate in this preparatory work. International, governmental and non-
governmental organizations liaising with the IEC also participate in this preparation. IEC collaborates closely
with the International Organization for Standardization (ISO) in accordance with conditions determined by
agreement between the two organizations.
2) The formal decisions or agreements of IEC on technical matters express, as nearly as possible, an international
consensus of opinion on the relevant subjects since each technical committee has representation from all
interested IEC National Committees.
3) IEC Publications have the form of recommendations for international use and are accepted by IEC National
Committees in that sense. While all reasonable efforts are made to ensure that the technical content of IEC
Publications is accurate, IEC cannot be held responsible for the way in which they are used or for any
misinterpretation by any end user.
4) In order to promote international uniformity, IEC National Committees undertake to apply IEC Publications
transparently to the maximum extent possible in their national and regional publications. Any divergence
between any IEC Publication and the corresponding national or regional publication shall be clearly indicated in
the latter.
5) IEC provides no marking procedure to indicate its approval and cannot be rendered responsible for any
equipment declared to be in conformity with an IEC Publication.
6) All users should ensure that they have the latest edition of this publication.
7) No liability shall attach to IEC or its directors, employees, servants or agents including individual experts and
members of its technical committees and IEC National Committees for any personal injury, property damage or
other damage of any nature whatsoever, whether direct or indirect, or for costs (including legal fees) and
expenses arising out of the publication, use of, or reliance upon, this IEC Publication or any other IEC
Publications.
8) Attention is drawn to the Normative references cited in this publication. Use of the referenced publications is
indispensable for the correct application of this publication.
9) Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this IEC Publication may be the subject of
patent rights. IEC shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights.

International Standard 60099-4 has been prepared by IEC technical committee 37: Surge
arresters.
This edition includes the following significant technical changes with respect to the previous
edition.
• Clauses 1, 2 and 3 contain common subclauses that cover all arrester types. Clauses 4 to
9 contain subclauses that apply to porcelain-housed arresters. To a great extent, the
content of Clauses 4 to 9 also applies to arrester types other than porcelain- housed. Any
exceptions that apply to polymer-housed, GIS, separable and dead-front, and liquid-
immersed arresters are included in Clauses 10 to 13 as entire subclauses, not as parts of
subclauses. That is, if any subclause of Clauses 4 to 9 does not apply in its entirety to a
particular type of arrester, then a replacement subclause is given in its entirety in the
appropriate Clauses 10, 11, 12, or 13. This avoids the necessity for the user of the
document to judgewhich part of a clause has been amended.

60099-4 © IEC:2004+A1:2006 – 15 –

• Table 1 has been modified. The previous Table 1 included references to subclauses for

type testing. Such references are really not appropriate in Clause 4 and have been

transferred to a new table in Clause 8.

• Clauses 6, 8, 11, 12 and 13: modifications have been made to short-circuit requirements.

• Requirements of Clause 13 (mechanical considerations) have been incorporated into

Clauses 5, 6, 8, 10, 11, 12 and 13, and Annex A of this new edition.

This consolidated version of IEC 60099-4 consists of the second edition (2004) [documents

37/298/FDIS and 37/300/RVD] and its amendment 1 (2006) [documents 37/324/FDIS and

37/325/RVD].
The technical content is therefore identical to the base edition and its amendment and has
been prepared for user convenience.
It bears the edition number 2.1.
A vertical line in the margin shows where the base publication has been modified by
amendment 1.
This publication has been drafted in accordance with the ISO/IEC Directives, Part 2.
The committee has decided that the contents of the base publication and its amendments will
remain unchanged until the maintenance result date indicated on the IEC web site under
"http://webstore.iec.ch" in the data related to the specific publication. At this date,
the publication will be
• reconfirmed,
• withdrawn,
• replaced by a revised edition, or
• amended.
60099-4  IEC:2004+A1:2006 – 17 –

INTRODUCTION
This part of IEC 60099 presents the minimum criteria for the requirements and testing of

gapless metal-oxide surge arresters that are applied to a.c. power systems.

Arresters covered by this standard are commonly applied to live/front overhead installations in

place of the non-linear resistor-type gapped arresters covered in IEC 60099-1.

60099-4  IEC:2004+A1:2006 – 19 –

SURGE ARRESTERS –
Part 4: Metal-oxide surge arresters without gaps

for a.c. systems
1 Scope
This part of IEC 60099 applies to non-linear metal-oxide resistor type surge arresters without
spark gaps designed to limit voltage surges on a.c. power circuits.
2 Normative references
The following referenced documents are indispensable for the application of this document.
For dated references, only the edition cited applies. For undated references, the latest edition
of the referenced document (including any amendments) applies.
IEC 60060-1:1989, High-voltage test techniques – Part 1: General definitions and test
requirements
IEC 60060-2:1994, High-voltage test techniques – Part 2: Measuring systems
IEC 60068-2-11:1981, Environmental testing – Part 2: Tests – Test Ka: Salt mist
IEC 60068-2-14:1984, Environmental testing – Part 2: Tests – Test N: Change of temperature
IEC 60068-2-42:2003, Environmental testing – Part 2-42: Tests – Test Kc: Sulphur dioxide
test for contacts and connections
IEC 60071-1:1993, Insulation co-ordination – Part 1: Definitions, principles and rules
IEC 60071-2:1996, Insulation co-ordination – Part 2: Application guide
IEC 60270:2000, High-voltage test techniques – Partial discharge measurements
IEC 60507:1991, Artificial pollution tests on high-voltage insulators to be used on a.c.
systems
IEC 60815:1986, Guide for the selection of insulators in respect of polluted conditions
IEC 61109:1992, Composite insulators for a.c. overhead lines with a nominal voltage greater
than 1 000 V – Definitions, test methods and acceptance criteria
IEC 61166:1993, High-voltage alternating current circuit-breakers – Guide for seismic
qualification of high-voltage alternating current circuit-breakers
IEC 61330:1995, High-voltage/low-voltage prefabricated substations

60099-4  IEC:2004+A1:2006 – 21 –

IEC 62271-200:2003, High-voltage switchgear and controlgear – Part 200: A.C. metal-
enclosed switchgear and controlgear for rated voltages above 1 kV and up to and including

52 kV
IEC 62271-203:2003, High-voltage switchgear and controlgear – Part 203: Gas-insulated

metal-enclosed switchgear for rated voltages above 52 kV

CISPR 16-1:1999, Specification for radio disturbance and immunity measuring apparatus and

methods – Part 1: Radio disturbance and immunity measuring apparatus

CISPR 18-2:1986, Radio interference characteristics of overhead power lines and high-

− Part 2: Methods of measurement and procedure for determining limits
voltage equipment
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the following definitions apply.
3.1
metal-oxide surge arrester without gaps
arrester having non-linear metal-oxide resistors connected in series and/or in parallel without
any integrated series or parallel spark gaps
3.2
non-linear metal-oxide resistor
part of the surge arrester which, by its non-linear voltage versus current characteristics, acts
as a low resistance to overvoltages, thus limiting the voltage across the arrester terminals,
and as a high resistance at normal power-frequency voltage
3.3
internal grading system of an arrester
grading impedances, in particular grading capacitors connected in parallel to one single or to
a group of non-linear metal-oxide resistors, to control the voltage distribution along the metal-
oxide resistor stack
3.4
grading ring of an arrester
metal part, usually circular in shape, mounted to modify electrostatically the voltage
distribution along the arrester
3.5
section of an arrester
complete, suitably assembled part of an arrester necessary to represent the behaviour of a
complete arrester with respect to a particular test
NOTE A section of an arrester is not necessarily a unit of an arrester.
3.6
unit of an arrester
completely housed part of an arrester which may be connected in series and/or in parallel with
other units to construct an arrester of higher voltage and/or current rating
NOTE A unit of an arrester is not necessarily a section of an arrester.

60099-4  IEC:2004+A1:2006 – 23 –

3.7
pressure-relief device of an arrester

means for relieving internal pressure in an arrester and preventing violent shattering of the

housing following prolonged passage of fault current or internal flashover of the arrester

3.8
rated voltage of an arrester
U
r
maximum permissible r.m.s. value of power-frequency voltage between its terminals at which

it is designed to operate correctly under temporary overvoltage conditions as established in

the operating duty tests (see 8.5)

NOTE 1 The rated voltage is used as a reference parameter for the specification of operating characteristics.
NOTE 2 The rated voltage as defined in this standard is the 10 s power-frequency voltage used in the operating
duty test after high-current or long-duration impulses. Tests used to establish the voltage rating in IEC 60099-1, as
well as some national standards, involve the application of repetitive impulses at nominal current with power-
frequency voltage applied. Attention is drawn to the fact that these two methods used to established rating do not
necessarily produce equivalent values (a resolution to this discrepancy is under consideration).
3.9
continuous operating voltage of an arrester
U
c
designated permissible r.m.s. value of power-frequency voltage that may be applied
continuously between the arrester terminals in accordance with 8.5
3.10
rated frequency of an arrester
frequency of the power system on which the arrester is designed to be used
3.11
disruptive discharge
phenomenon associated with the failure of insulation under electric stress, which include a
collapse of voltage and the passage of current
NOTE 1 The term applies to electrical breakdowns in solid, liquid and gaseous dielectric, and combinations of
these.
NOTE 2 A disruptive discharge in a solid dielectric produces permanent loss of electric strength. In a liquid or
gaseous dielectric the loss may be only temporary.
3.12
puncture
breakdown
disruptive discharge through a solid

3.13
flashover
disruptive discharge over a solid surface
3.14
impulse
unidirectional wave of voltage or current which, without appreciable oscillations, rises rapidly
to a maximum value and falls, usually less rapidly, to zero with small, if any, excursions of
opposite polarity
NOTE The parameters which define a voltage or current impulse are polarity, peak value, front time and time to
half-value on the tail.
60099-4  IEC:2004+A1:2006 – 25 –

3.15
designation of an impulse shape

combination of two numbers, the first representing the virtual front time (T ) and the second
the virtual time to half-value on the tail (T )
NOTE It is written as T /T , both in microseconds, the sign "/ " having no mathematical meaning.
1 2
3.16
steep current impulse
current impulse with a virtual front time of 1 µs with limits in the adjustment of equipment such

that the measured values are from 0,9 µs to 1,1 µs and the virtual time to half-value on the tail

is not longer than 20 µs
NOTE The time to half-value on the tail is not critical and may have any tolerance during the residual voltage type
tests (see 8.3).
3.17
lightning current impulse
8/20 current impulse with limits on the adjustment of equipment such that the measured
values are from 7 µs to 9 µs for the virtual front time and from 18 µs to 22 µs for the time to
half-value on the tail
NOTE The time to half-value on the tail is not critical and may have any tolerance during the residual voltage type
tests (see 8.3).
3.18
long-duration current impulse
rectangular impulse which rises rapidly to maximum value, remains substantially constant for
a specified period and then falls rapidly to zero
NOTE The parameters which define a rectangular impulse are polarity, peak value, virtual duration of the peak
and virtual total duration.
3.19
peak (crest) value of an impulse
maximum value of a voltage or current impulse
NOTE Superimposed oscillations may be disregarded (see 8.4.2c and 8.5.4.2e).
3.20
front of an impulse
part of an impulse which occurs prior to the peak
3.21
tail of an impulse
part of an impulse which occurs after the peak

3.22
virtual origin of an impulse
point on a graph of voltage versus time or current versus time determined by the intersection
between the time axis at zero voltage or zero current and the straight line drawn through two
reference points on the front of the impulse
NOTE 1 For current impulses the reference points shall be 10 % and 90 % of the peak value.
NOTE 2 This definition applies only when scales of both ordinate and abscissa are linear.
NOTE 3 If oscillations are present on the front, the reference points at 10 % and 90 % should be taken on the
mean curve drawn through the oscillations.

60099-4  IEC:2004+A1:2006 – 27 –

3.23
virtual front time of a current impulse

T
time in microseconds equal to 1,25 multiplied by the time in microseconds for the current to

increase from 10 % to 90 % of its peak value

NOTE If oscillations are present on the front, the reference points at 10 % and 90 % should be taken on the mean
curve drawn through the oscillations.

3.24
virtual steepness of the front of an impulse

quotient of the peak value and the virtual front time of an impulse

3.25
virtual time to half-value on the tail of an impulse
T
time interval between the virtual origin and the instant when the voltage or current has
decreased to half its peak value, expressed in microseconds
3.26
virtual duration of the peak of a rectangular impulse
time during which the amplitude of the impulse is greater than 90 % of its peak value
3.27
virtual total duration of a rectangular impulse
time during which the amplitude of the impulse is greater than 10 % of its peak value
NOTE If small oscillations are present on the front, a mean curve should be drawn in order to determine the time
at which the 10 % value is reached.
3.28
peak (crest) value of opposite polarity of an impulse
maximum amplitude of opposite polarity reached by a voltage or current impulse when it
oscillates about zero before attaining a permanent zero value
3.29
discharge current of an arrester
impulse current which flows through the arrester
3.30
nominal discharge current of an arrester

I
n
peak value of lightning current impulse (see 3.17) which is used to classify an arrester

3.31
high current impulse of an arrester
peak value of discharge current having a 4/10 impulse shape which is used to test the stability
of the arrester on direct lightning strokes
3.32
switching current impulse of an arrester
peak value of discharge current having a virtual front time greater than 30 µs but less than
100 µs and a virtual time to half-value on the tail of roughly twice the virtual front time

60099-4  IEC:2004+A1:2006 – 29 –

3.33
continuous current of an arrester

current flowing through the arrester when energized at the continuous operating voltage

NOTE 1 The continu
...

NORME CEI
INTERNATIONALE 60099-4
Deuxième édition
2004-05
Parafoudres –
Partie 4:
Parafoudres à oxyde métallique sans
éclateurs pour réseaux à courant alternatif

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NORME CEI
INTERNATIONALE 60099-4
Deuxième édition
2004-05
Parafoudres –
Partie 4:
Parafoudres à oxyde métallique sans
éclateurs pour réseaux à courant alternatif

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– 2 – 60099-4 © CEI:2004
SOMMAIRE
AVANT-PROPOS.12

INTRODUCTION.16

1 Domaine d'application.18

2 Références normatives.18

3 Termes et définitions .20

4 Identification et classification.36

4.1 Identification des parafoudres .36

4.2 Classification des parafoudres.38
5 Caractéritiques assignées et conditions de service.38
5.1 Tensions assignées normales .38
5.2 Fréquences assignées normales.38
5.3 Valeurs normales des courants nominaux de décharge .38
5.4 Conditions de service .40
6 Prescriptions.40
6.1 Tenue diélectrique de l'enveloppe du parafoudre.40
6.2 Tension de référence.42
6.3 Tensions résiduelles.42
6.4 Décharges partielles internes.42
6.5 Taux de fuite de l'étanchéité.42
6.6 Répartition du courant dans les parafoudres à plusieurs colonnes.42
6.7 Stabilité thermique.42
6.8 Tenue au choc de courant de longue durée .42
6.9 Fonctionnement des parafoudres .44
6.10 Caractéristique de tension à fréquence industrielle en fonction du temps
d'un parafoudre .50
6.11 Court-circuit.50
6.12 Dispositif de déconnexion.50
6.13 Prescriptions pour les équipements auxiliaires tels que les éléments de
répartition.50
6.14 Efforts mécaniques.50
6.15 Compatibilité électromagnétique.52
6.16 Fin de cycle.52

7 Conditions générales d’éxécution des essais.52
7.1 Appareillage de mesure et précision.52
7.2 Mesures de la tension de référence.54
7.3 Echantillons destinés aux essais .54
8 Essais de type (essais de conception) .54
8.1 Généralités.54
8.2 Essais de tenue de l'isolation de l'enveloppe du parafoudre .58
8.3 Essais de vérification de la tension résiduelle.60
8.4 Essai de tenue aux chocs de courant de longue durée .66
8.5 Essais de fonctionnement.70
8.6 Essai des dispositifs déconnecteurs/indicateurs de défaut pour parafoudres .86
8.7 Procédure d’essai de court-circuit .90
8.8 Essais de décharges partielles internes.90
8.9 Essai en moment de flexion.90

– 4 – 60099-4 © CEI:2004
8.10 Essais d’environnement .92

8.11 Essai de mesure du taux de fuite.94

8.12 Essai aux tensions perturbatrices RF (RIV) .96

9 Essais individuels et essais de réception.98

9.1 Essais individuels.98

9.2 Essais de réception.100

10 Prescriptions d’essais pour les parafoudres à enveloppe synthétique .104

10.1 Domaine d’application.104

10.2 Références normatives.104

10.3 Termes et définitions .104
10.4 Identification et classification.104
10.5 Caractéristiques assignées et conditions de service .104
10.6 Prescriptions.104
10.7 Conditions générales d’exécution des essais.106
10.8 Essais de type (essais de conception).106
11 Prescriptions d’essais pour les parafoudres sous enveloppe métallique à isolation
gazeuse (Parafoudres blindés) .138
11.1 Domaine d’application.138
11.2 Références normatives.138
11.3 Termes et définitions .138
11.4 Identification et classification.138
11.5 Caractéristiques assignées et conditions de service .138
11.6 Prescriptions.140
11.7 Conditions générales d’exécution des essais.142
11.8 Essais de type (essais de conception).142
11.9 Essais individuels.152
11.10 Essais consécutifs à l'installation sur site .152
12 Parafoudres débrochables et parafoudres pour prises .158
12.1 Domaine d’application.158
12.2 Références normatives.158
12.3 Termes et définitions .158
12.4 Identification et classification.158
12.5 Caractéristiques assignées et conditions de service .158
12.6 Prescriptions.158
12.7 Conditions générales d'exécution des essais.160

12.8 Essais de type (essais de conception).160
12.9 Essais individuels et essais de réception.172
13 Parafoudres immergés.172
13.1 Domaine d’application.172
13.2 Références normatives.172
13.3 Termes et définitions .172
13.4 Identification et classification.172
13.5 Caractéristiques assignées et conditions de service .174
13.6 Prescriptions.174
13.7 Conditions générales d'exécution des essais.174
13.8 Essais de type (essais de conception).174
13.9 Essais individuels et essais de réception.190

– 6 – 60099-4 © CEI:2004
Annexe A (normative) Conditions anormales de service.192

Annexe B (normative) Essai de vérification de l'équivalence thermique entre un

parafoudre complet et une fraction de parafoudre .194

Annexe C (normative) Prescriptions relatives aux parafoudres pour courants de foudre

élevés pour la gamme de tension de 1 kV à 52 kV .196

Annexe D (normative) Méthode de vérification de la caractéristique de tension à

fréquence industrielle en fonction du temps d'un parafoudre.202

Annexe E (informative) Guide pour le choix de la classe de décharge de ligne .206

Annexe F (normative) Essai de pollution artificielle relatif à la contrainte thermique

des parafoudres à oxyde métallique à enveloppe en porcelaine comportant plusieurs

éléments.210
Annexe G (informative) Renseignements caractéristiques fournis dans les appels
d'offres et les offres .240
Annexe H (informative) Circuit type pour l'essai de fonctionnement aux chocs de
courant de grande amplitude (voir 8.5.4).246
Annexe I (informative) Circuit type de générateur de choc à constantes réparties pour
l'essai de tenue aux chocs de courant de longue durée (voir 8.4) .250
Annexe J (informative) Tensions résiduelles maximales typiques.252
Annexe K (informative) Procédure d’essai de vieillissement – Loi d’Arrhénius –
Problèmes liés aux températures plus élevées.254
Annexe L (informative) Guide pour la détermination de la répartition de tension dans
les parafoudres à oxyde métallique.258
Annexe M (normative) Considérations d’ordre mécanique.274
Annexe N (informative) Essais de court-circuit.282

Bibliographie.300

Figure 1 – Essai de fonctionnement sur les parafoudres 10 000 A, classe de décharge
de ligne 1 et les parafoudres 5 000 A, 2 500 A et 1 500 A (voir 8.5.4) .46
Figure 2 – Essai de fonctionnement sur les parafoudres 10 000 A, classes de décharge
de ligne 2 et 3 et les parafoudres 20 000 A, classes de décharge de ligne 4 et 5
(voir 8.5.5) .48
Figure 3 – Puissance absorbée par un parafoudre à températures élevées en fonction
du temps.74
Figure 4 – Essai de stabilité thermique sur les parafoudres 10 000 A de classe de
décharge de ligne 1 et les parafoudres 5 000 A, 2 500 A et 1 500 A .102

Figure 5 – Essai de stabilité thermique pour les parafoudres 10 000 A des classes de
décharge de ligne 2 et 3 et les parafoudres 20 000 A des classes de décharge de
ligne 4 et 5.104
Figure 6 – Essai thermomécanique .126
Figure 7 – Exemple de configuration pour l’essai thermomécanique et orientation de
l’effort de flexion .128
Figure 8 – Essai d’immersion dans l’eau .130
Figure 9 – Exemple de cycle de vieillissement climatique accéléré sous tension
(conformément à la CEI 61109) .136
Figure 10 – Autre exemple de cycle de vieillissement climatique accéléré .138
Figure 11 – Tensions d'essai de tenue de l'isolation des parafoudres pour prise ou
débrochables avec enveloppe blindée .162

– 8 – 60099-4 © CEI:2004
Figure 12 – Puissance absorbée par un parafoudre à températures élevées en fonction

du temps.180

Figure C.1 – Essai de fonctionnement sur les parafoudres 20 000 A pour courants de

foudre élevés .200

Figure C.2 – Essai de stabilité thermique sur les parafoudres 20 000 A pour courants
de foudre élevés (voir 9.2.2) .200

Figure D.1 – Essai des parafoudres 10 000 A, classe de décharge de ligne 1, 5 000 A,

2 500 A et 1 500 A .202

Figure D.2 – Essai des parafoudres 20 000 A pour courants de foudre élevés .204

Figure D.3 – Essai des parafoudres 10 000 A, classes de décharge de ligne 2 et 3 et

parafoudres 20 000 A, classes de décharge de ligne 4 et 5 .204
Figure E.1 – Energie spécifique en kJ par kV de tension assignée en fonction du
rapport de la tension résiduelle aux chocs de manœuvre (U ) à la valeur efficace de la
a
tension assignée U du parafoudre .208
r
Figure F.1 – Organigramme démontrant la procédure permettant de déterminer le
préchauffage d'un échantillon en essai .216
Figure H.1 – Schéma de circuit type pour l'essai de fonctionnement aux chocs de
courant de grande amplitude.246
Figure I.1 – Circuit type de générateur de chocs à constantes réparties pour l'essai aux
chocs de courant de longue durée .250
Figure L.1 – Installation triphasée type de parafoudres .268
Figure L.2 – Circuit équivalent simplifié multi-étages d’un parafoudre .268
Figure L.3 – Géométrie du modèle de parafoudre .270
o
Figure L.4 – Exemple de caractéristique courant-tension en valeurs réduites à +20 C
pour une résistance à oxydes métalliques dans la région des courants de fuite .272
Figure L.5 – Répartition de tension calculée le long de la colonne de résistances dans
le cas B .272
Figure M.1 – Moment de flexion pour un parafoudre à plusieurs unités .274
Figure M.2 – Fraction de parafoudre .278
Figure M.3 – Dimensions du parafoudre.280
Figure N.1 – Positionnement du fil fusible dans différents cas (pour les parafoudres
avec limiteur de pression) .296
Figure N.2 – Configuration d’essai pour les parafoudres avec limiteur de pression .298
Figure N.3 – Configuration d’essai pour les parafoudres sans limiteur de pression .298

Tableau 1 – Classification des parafoudres.38
Tableau 2 – Echelons de tensions assignées.38
Tableau 3 – Essais de type de parafoudre .56
Tableau 4 – Valeurs de crête des courants pour l'essai de vérification de la tension
résiduelle.66
Tableau 5 – Paramètres pour l'essai de décharge de ligne sur les parafoudres
20 000 A et 10 000 A .68
Tableau 6 – Prescriptions pour l'essai aux chocs de courant de longue durée sur les
parafoudres 5 000 et 2 500 A.70
Tableau 7 – Détermination des tensions assignée et de service permanent majorées.76
Tableau 8 – Prescriptions pour les chocs de courant de grande amplitude.80
Tableau 8 – Prescriptions pour les chocs de courant de grande amplitude.112

– 10 – 60099-4 © CEI:2004
Tableau 9 – Parafoudres blindés triphasés 10 000 A et 20 000 A – Tensions de tenue

prescrites.154

Tableau 10 – Parafoudres blindés triphasés 1 500 A, 2 500 A et 5 000 A – Tensions de

tenue prescrites .156

Tableau 11 – Tensions d'essai de tenue de l'isolation des parafoudres débrochables
non blindés .162

Tableau 12 – Tensions d'essai de tenue de l'isolation de l’enveloppe des parafoudres

débrochables ou pour prise blindés.162

Tableau 8 – Prescriptions pour les chocs de courant de grande amplitude.166

Tableau 13 – Essais de décharges partielles internes pour les parafoudres

débrochables et les parafoudres pour prise .172
Tableau 7 – Détermination des tensions assignée et de service permanent majorées.180
Tableau 8 – Prescriptions pour les chocs de courant de grande amplitude.182
Tableau C.1 – Prescriptions relatives aux parafoudres 20 000 A pour courants de
foudre élevés .198
Tableau F.1 – Charge moyenne externe pour différentes sévérités de la pollution .218
Tableau F.2 – Caractéristiques de l'échantillon utilisé lors de l'essai de pollution.220
Tableau F.3 – Exigences relatives à l'appareil de mesure de la charge.222
Tableau F.4 – Exigences relatives à l'appareil de mesure de la température.224
Tableau F.5 – Résultats du calcul de ΔT pour l'exemple choisi .236
z max
Tableau F.6 – Résultats de l'essai sous brouillard salin pour l'exemple choisi.236
Tableau F.7 – Valeurs calculées de ΔT et T après 5 cycles pour l'exemple choisi .238
z OD
Tableau F.8 – Valeurs calculées de ΔT et T après 10 cycles pour l'exemple choisi .238
z OD
Tableau J.1 – Tensions résiduelles pour les parafoudres 20 000 A et 10 000 A Valeurs
rapportées à la tension assignée .252
Tableau J.2 – Tensions résiduelles pour les parafoudres 5 000 A, 2 500 A et 1 500 A
Valeurs rapportées à la tension assignée.252
Tableau K.1 – Durée de vie minimale prévisible démontrée .254
Tableau K.2 – Relation entre durée d’essai à 115 °C et durée équivalente à la limite
supérieure de la température ambiante.256
Tableau L.1 – Résultats d'exemples de calcul.266
Tableau N.1 – Méthode de préparation des parafoudres avec limiteur de pression pour
initier le courant de court-circuit.284
Tableau N.2 – Méthode de préparation des parafoudres sans limiteur de pression pour

initier le courant de court-circuit.286
Tableau N.3 – Courants prescrits pour les essais de court-circuit .294

– 12 – 60099-4 © CEI:2004
COMMISSION ÉLECTROTECHNIQUE INTERNATIONALE

–––––––––––
PARAFOUDRES –
Partie 4: Parafoudres à oxyde métallique sans

éclateurs pour réseaux à courant alternatif

AVANT-PROPOS
1) La Commission Electrotechnique Internationale (CEI) est une organisation mondiale de normalisation
composée de l'ensemble des comités électrotechniques nationaux (Comités nationaux de la CEI). La CEI a
pour objet de favoriser la coopération internationale pour toutes les questions de normalisation dans les
domaines de l'électricité et de l'électronique. A cet effet, la CEI – entre autres activités – publie des Normes
internationales, des Spécifications techniques, des Rapports techniques, des Spécifications accessibles au
public (PAS) et des Guides (ci-après dénommés «Publication(s) de la CEI»). Leur élaboration est confiée à des
comités d'études, aux travaux desquels tout Comité national intéressé par le sujet traité peut participer. Les
organisations internationales, gouvernementales et non gouvernementales, en liaison avec la CEI, participent
également aux travaux. La CEI collabore étroitement avec l'Organisation Internationale de Normalisation (ISO),
selon des conditions fixées par accord entre les deux organisations.
2) Les décisions ou accords officiels de la CEI concernant les questions techniques représentent, dans la mesure
du possible, un accord international sur les sujets étudiés, étant donné que les Comités nationaux de la CEI
intéressés sont représentés dans chaque comité d’études.
3) Les Publications de la CEI se présentent sous la forme de recommandations internationales et sont agréées
comme telles par les Comités nationaux de la CEI. Tous les efforts raisonnables sont entrepris afin que la CEI
s'assure de l'exactitude du contenu technique de ses publications; la CEI ne peut pas être tenue responsable
de l'éventuelle mauvaise utilisation ou interprétation qui en est faite par un quelconque utilisateur final.
4) Dans le but d'encourager l'uniformité internationale, les Comités nationaux de la CEI s'engagent, dans toute la
mesure possible, à appliquer de façon transparente les Publications de la CEI dans leurs publications
nationales et régionales. Toutes divergences entre toutes Publications de la CEI et toutes publications
nationales ou régionales correspondantes doivent être indiquées en termes clairs dans ces dernières.
5) La CEI n’a prévu aucune procédure de marquage valant indication d’approbation et n'engage pas sa
responsabilité pour les équipements déclarés conformes à une de ses Publications.
6) Tous les utilisateurs doivent s'assurer qu'ils sont en possession de la dernière édition de cette publication.
7) Aucune responsabilité ne doit être imputée à la CEI, à ses administrateurs, employés, auxiliaires ou
mandataires, y compris ses experts particuliers et les membres de ses comités d'études et des Comités
nationaux de la CEI, pour tout préjudice causé en cas de dommages corporels et matériels, ou de tout autre
dommage de quelque nature que ce soit, directe ou indirecte, ou pour supporter les coûts (y compris les frais
de justice) et les dépenses découlant de la publication ou de l'utilisation de cette Publication de la CEI ou de
toute autre Publication de la CEI, ou au crédit qui lui est accordé.
8) L'attention est attirée sur les références normatives citées dans cette publication. L'utilisation de publications
référencées est obligatoire pour une application correcte de la présente publication.
9) L’attention est attirée sur le fait que certains des éléments de la présente Publication de la CEI peuvent faire
l’objet de droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. La CEI ne saurait être tenue pour
responsable de ne pas avoir identifié de tels droits de propriété et de ne pas avoir signalé leur existence.

La présente Norme internationale CEI 60099-4 a été établie par le comité d'études 37 de la
CEI: Parafoudres.
Cette deuxième édition annule et remplace la première édition, publiée en 1991,
l’amendement 1 (1998) et l’amendement 2 (2001).
Cette édition inclut les modifications techniques significatives suivantes en référence à la
précédente édition:
– 14 – 60099-4 © CEI:2004
• Les Articles 1, 2 et 3 contiennent les paragraphes communs qui couvrent tous les types

de parafoudres. Les Articles 4 à 9 contiennent les paragraphes qui s’appliquent aux

parafoudres à enveloppe en porcelaine. Dans une très grande partie, le contenu des

Articles 4 à 9 s’applique également aux types de parafoudres différents de ceux à

enveloppe de porcelaine. Toutes les exceptions qui s’appliquent aux parafoudres à

enveloppe polymère (GIS) aux parafoudres sous enveloppe métallique à isolation

gazeuse (parafoudres blindés), parafoudres débrochables et parafoudres pour prises, et
aux parafoudres immergés sont incluses dans les Articles 10 à 13 sous forme de
paragraphes entiers et non en tant que parties de paragraphes. Cela signifie que

n’importe quel article des Articles 4 à 9 ne s’applique pas entièrement à un type particulier

de parafoudre, un paragraphe de remplacement est alors donné dans son intégralité dans

les Articles appropriées 10, 11, 12 ou 13. Cela évite à l’utilisateur du document d’avoir à

juger quelle partie de l’article est modifiée
• Le Tableau 1 a été modifié. Le précédent Tableau 1 incluait les références aux
paragraphes des essais de type (essais de conception). De telles références ne sont pas
vraiment appropriées au nouvel Article 4 et ont été transférées dans le nouveau Tableau 3
de Article 8.
• Articles 6, 8, 11, 12 et 13: des modifications ont été apportées aux prescriptions des
court-circuits.
• Les prescriptions de l’Article 13 (Considérations mécaniques) ont été incorporées dans
les Articles 5, 6, 8, 10, 11, 12 et 13, et dans l’Annexe A de cette nouvelle édition.

Le texte de cette norme est issu des documents suivants:
FDIS Rapport de vote
37/298/FDIS 37/300/RVD
Le rapport de vote indiqué dans le tableau ci-dessus donne toute information sur le vote ayant
abouti à l'approbation de cette norme.
Cette publication a été rédigée selon les Directives ISO/CEI, Partie 2.
Le comité a décidé que le contenu de cette publication ne sera pas modifié avant 2005.
A cette date, la publication sera
• reconduite;
• supprimée;
• remplacée par une édition révisée, ou
• amendée.
– 16 – 60099-4 © CEI:2004
INTRODUCTION
Cette partie de la CEI 60099 présente les critères minimaux pour les prescriptions et pour les

essais des parafoudres sans éclateur à oxyde métallique destinés à être utilisés sur les

réseaux de puissance en courant alternatif.

Les parafoudres décrits dans cette norme sont couramment utilisés dans des installations

reliées à des lignes aériennes, à la place des parafoudres à éclateurs à résistance variable

qui font l'objet de la CEI 60099-1.

– 18 – 60099-4 © CEI:2004
PARAFOUDRES –
Partie 4: Parafoudres à oxyde métallique sans

éclateurs pour réseaux à courant alternatif

1 Domaine d'application
La présente partie de la CEI 60099 s'applique aux parafoudres à résistance variable à oxyde
métallique sans éclateur conçus pour limiter les surtensions sur les réseaux à courant
alternatif.
2 Références normatives
Les documents de référence suivants sont indispensables pour l'application du présent
document. Pour les références datées, seule l'édition citée s'applique. Pour les références
non datées, la dernière édition du document de référence s'applique (y compris les éventuels
amendements).
CEI 60060-1:1989, Techniques des essais à haute tension – Partie 1: Définitions et
prescriptions générales relatives aux essais
IEC 60060-2:1994, Techniques des essais à haute tension – Partie 2: Systèmes de mesure
CEI 60068-2-11:1981, Essais d'environnement – Partie 2: Essais – Essai Ka: Brouillard salin
CEI 60068-2-14:1984, Essais d'environnement – Partie 2: Essais – Essai N: Variations de
température
CEI 60068-2-42:2003, Essais d'environnement – Partie 2-42: Essais – Essai Kc: Essai à
l’anhydride sulfureux
CEI 60071-1:1993, Coordination de l’isolement – Partie 1: Définitions, principes et règles
CEI 60071-2:1996, Coordination de l’isolement – Partie 2: Guide d’application
CEI 60270:2000, Techniques des essais à haute tension – Mesures des décharges partielles

CEI 60507:1991, Essais sous pollution artificielle des isolateurs pour haute tension destinés
aux réseaux à courant alternatif
CEI 60815:1986, Guide pour le choix des isolateurs sous pollution
CEI 61109:1992, Isolateurs composites destinés aux lignes aériennes à courant alternatif
de tension nominale supérieure à 1 000 V – Définitions, méthodes d'essai et critères
d’acceptation
CEI 61166:1993, Disjoncteurs à courant alternatif à haute tension – Guide pour la
qualification sismique des disjoncteurs à courant alternatif à haute tension
CEI 61330:1995, Postes préfabriqués haute tension/basse tension

– 20 – 60099-4 © CEI:2004
CEI 62271-200:2003, Appareillage à haute tension – Partie 200: Appareillage sous enveloppe
métallique pour courant alternatif de tensions assignées supérieures à 1 kV et inférieures ou

égales à 52 kV
CEI 62271-203:2003, Appareillage à haute tension – Partie 203: Appareillage sous enveloppe

métallique à isolation gazeuse de tensions assignées supérieures à 52 kV

CISPR 16-1:1999, Spécifications des méthodes et des appareils de mesure des perturbations

radioélectriques et de l'immunité aux perturbations radioélectriques – Partie 1: Appareils de

mesure des perturbations radioélectriques et de l'immunité aux perturbations radioélectriques

CISPR 18-2:1986, Caractéristiques des lignes et des équipements à haute tension relatives
aux perturbations radioélectriques – Partie 2: Méthodes de mesure et procédure
d'établissement des limites.
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les définitions suivantes s'appliquent.
3.1
parafoudre à oxyde métallique sans éclateur
parafoudre à résistances variables à oxyde métallique connectées en série et/ou en parallèle,
ne comportant pas d'éclateurs en série ou en parallèle
3.2
résistance variable à oxyde métallique
partie d'un parafoudre qui, par sa caractéristique non linéaire de la tension en fonction du
courant, fonctionne comme une résistance de faible valeur pour les surtensions, limitant ainsi
la tension aux bornes du parafoudre, et comme une résistance de valeur élevée à la tension
normale à fréquence industrielle
3.3
système de répartition interne d'un parafoudre
impédances de répartition, en particulier condensateurs de répartition connectés en parallèle
sur une seule résistance ou sur un groupe de résistances non linéaires à oxyde métallique
pour fixer la répartition de la tension le long de la colonne de résistances à oxyde métallique
3.4
anneau de garde d'un parafoudre
partie métallique, généralement de forme circulaire, montée pour modifier électrostatiquement
la répartition de la tension le long du parafoudre

3.5
fraction de parafoudre
partie complète d'un parafoudre, correctement assemblée, nécessaire pour représenter le
comportement d'un parafoudre complet lors d'un essai particulier
NOTE Une fraction de parafoudre n'est pas nécessairement un élément de parafoudre.
3.6
élément de parafoudre
partie d'un parafoudre, entièrement contenue dans une enveloppe, qui peut être connectée en
série et/ou en parallèle avec d'autres éléments pour réaliser un parafoudre ayant des valeurs
assignées de tension et/ou de courant plus élevées
NOTE Un élément de parafoudre n'est pas nécessairement une fraction de parafoudre.

– 22 – 60099-4 © CEI:2004
3.7
limiteur de pression d'un parafoudre

dispositif destiné à limiter la pression interne d'un parafoudre et à éviter la rupture brutale de

l'enveloppe à la suite du passage prolongé du courant de défaut ou d'un amorçage à

l'intérieur du parafoudre
3.8
tension assignée d'un parafoudre

U
r
valeur maximale de la tension efficace à fréquence industrielle admissible entre ses bornes
pour laquelle le parafoudre est prévu pour fonctionner correctement dans des conditions de

surtension temporaires comme il est défini dans les essais de fonctionnement (voir 8.5).

NOTE 1 La tension assignée est utilisée comme paramètre de référence pour la spécification des caractéristiques
de fonctionnement.
NOTE 2 La tension assignée comme définie dans la présente norme est la tension à fréquence industrielle de
10 s, utilisée pour vérifier la stabilité après application des chocs de courant de grande amplitude ou de longue
durée lors de l'essai de fonctionnement. Les essais utilisés pour définir la tension assignée dans la CEI 60099-1,
ainsi que dans certaines normes nationales, impliquent l'application de chocs répétés au courant nominal pendant
que la tension à fréquence industrielle est appliquée. On attire l'attention sur le fait que ces deux méthodes
utilisées pour définir les valeurs assignées ne produisent pas nécessairement des valeurs équivalentes (une
résolution de cette différence est à l'étude).
3.9
tension de régime permanent d'un parafoudre
U
c
valeur désignée admissible de la tension de régime permanent efficace à fréquence
industrielle qui peut être appliquée de façon continue entre les bornes du parafoudre selon
8.5.
3.10
fréquence nominale d'un parafoudre
fréquence du réseau pour laquelle le parafoudre est prévu
3.11
décharge disruptive
phénomène associé à une défaillance de l'isolation sous l'effet de la contrainte électrique,
avec chute de la tension et passage d'un courant.
NOTE 1 Ce terme s'applique aux perforations électriques de diélectriques solides, liquides et gazeux, et à leurs
combinaisons.
NOTE 2 Une décharge disruptive dans un isolant électrique solide entraîne une perte permanente de la rigidité
diélectrique. Dans un isolant liquide ou gazeux, la perte de la rigidité diélectrique peut n'être que temporaire.
3.12
perforation
claquage
décharge disruptive à travers un solide
3.13
contournement
décharge disruptive le long d'une surface solide
3.14
choc
onde de tension ou de courant unidirectionnelle qui, sans oscillations appréciables, croît
rapidement jusqu'à une valeur maximale et tombe à zéro, habituellement moins rapidement,
avec, éventuellement, de petites ondes de polarité opposée
NOTE Les paramètres qui définissent un choc de tension ou de courant sont la polarité, la valeur de crête, la
durée du front et la durée jusqu'à la mi-valeur sur la queue.

– 24 – 60099-4 © CEI:2004
3.15
énoncé de la forme d'un choc
combinaison de deux valeurs, la première représentant la durée conventionnelle du front (T )
et la seconde la durée conventionnelle jusqu'à la mi-valeur sur la queue (T ).
NOTE L'onde est représentée par T /T , en microsecondes, le signe «/» n'ayant aucune signification
1 2
mathématique.
3.16
choc de courant à front raide
choc de courant dont la durée conventionnelle de front est de 1 μs; les limites de réglage sont

telles que l'on mesure des valeurs comprises entre 0,9 μs et 1,1 μs. La durée conventionnelle

jusqu'à mi-valeur sur la queue ne dépasse pas 20 μs.
NOTE Pour la mesure de la tension résiduelle lors des essais de type (voir 8.3), la durée jusqu'à mi-valeur sur la
queue n'est pas un paramètre critique et aucune tolérance n'est imposée.
3.17
choc de courant de foudre
choc de courant 8/20; les limites de réglage sont telles que l'on mesure des valeurs
comprises entre 7 μs et 9 μs pour la durée conventionnelle de front et entre 18 μs et 22 μs
pour la durée jusqu'à mi-valeur sur la queue.
NOTE Pour la mesure de la tension résiduelle lors des essais de type (voir 8.3), la durée jusqu'à mi-valeur sur la
queue n'est pas un paramètre critique et aucune tolérance n'est imposée.
3.18
choc de courant de longue durée
choc rectangulaire qui croît rapidement jusqu'à une valeur maximale, se maintient à peu près
constant pendant une durée déterminée et
...

NORME CEI
INTERNATIONALE 60099-4
Edition 2.1
2006-07
Edition 2:2004 consolidée par l’amendement 1:2006
Parafoudres –
Partie 4:
Parafoudres à oxyde métallique sans éclateurs
pour réseaux à courant alternatif

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Numérotation des publications
Depuis le 1er janvier 1997, les publications de la CEI sont numérotées à partir de

60000. Ainsi, la CEI 34-1 devient la CEI 60034-1.

Editions consolidées
Les versions consolidées de certaines publications de la CEI incorporant les

amendements sont disponibles. Par exemple, les numéros d’édition 1.0, 1.1 et 1.2

indiquent respectivement la publication de base, la publication de base incorporant

l’amendement 1, et la publication de base incorporant les amendements 1 et 2

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Parafoudres –
Partie 4:
Parafoudres à oxyde métallique sans éclateurs
pour réseaux à courant alternatif

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– 2 – 60099-4  CEI:2004+A1:2006

SOMMAIRE
AVANT-PROPOS.12

INTRODUCTION.16

1 Domaine d'application .18

2 Références normatives.18

3 Termes et définitions .20

4 Identification et classification.36

4.1 Identification des parafoudres .36

4.2 Classification des parafoudres.38
5 Caractéritiques assignées et conditions de service.38
5.1 Tensions assignées normales .38
5.2 Fréquences assignées normales .38
5.3 Valeurs normales des courants nominaux de décharge .38
5.4 Conditions de service .40
6 Prescriptions .40
6.1 Tenue diélectrique de l'enveloppe du parafoudre.40
6.2 Tension de référence .42
6.3 Tensions résiduelles.42
6.4 Décharges partielles internes .42
6.5 Taux de fuite de l'étanchéité.42
6.6 Répartition du courant dans les parafoudres à plusieurs colonnes.42
6.7 Stabilité thermique .42
6.8 Tenue au choc de courant de longue durée .42
6.9 Fonctionnement des parafoudres .44
6.10 Caractéristique de tension à fréquence industrielle
en fonction du temps d'un parafoudre.50
6.11 Court-circuit .50
6.12 Dispositif de déconnexion.50
6.13 Prescriptions pour les équipements auxiliaires tels que les éléments
de répartition.50
6.14 Efforts mécaniques.50
6.15 Compatibilité électromagnétique.52
6.16 Fin de cycle.52

6.17 Capacité de décharge aux chocs de foudre .52
7 Conditions générales d’éxécution des essais.52
7.1 Appareillage de mesure et précision.52
7.2 Mesures de la tension de référence.54
7.3 Echantillons destinés aux essais .54
8 Essais de type (essais de conception).54
8.1 Généralités.54
8.2 Essais de tenue de l'isolation de l'enveloppe du parafoudre .58
8.3 Essais de vérification de la tension résiduelle.60
8.4 Essai de tenue aux chocs de courant de longue durée .66
8.5 Essais de fonctionnement.70
8.6 Essai des dispositifs déconnecteurs/indicateurs de défaut pour parafoudres .92
8.7 Essais de court-circuit .96
8.8 Essais de décharges partielles internes.116

– 4 – 60099-4  CEI:2004+A1:2006

8.9 Essai en moment de flexion.116

8.10 Essais d’environnement .118

8.11 Essai de mesure du taux de fuite.120

8.12 Essai aux tensions perturbatrices RF (RIV) .122

9 Essais individuels et essais de réception.124

9.1 Essais individuels.124

9.2 Essais de réception .126

10 Prescriptions d’essais pour les parafoudres à enveloppe synthétique .130

10.1 Domaine d’application .130

10.2 Références normatives.130
10.3 Termes et définitions .130
10.4 Identification et classification.130
10.5 Caractéristiques assignées et conditions de service .130
10.6 Prescriptions .130
10.7 Conditions générales d’exécution des essais.132
10.8 Essais de type (essais de conception).132
11 Prescriptions d’essais pour les parafoudres sous enveloppe métallique
à isolation gazeuse (Parafoudres blindés) .164
11.1 Domaine d’application .164
11.2 Références normatives.164
11.3 Termes et définitions .164
11.4 Identification et classification.164
11.5 Caractéristiques assignées et conditions de service .164
11.6 Prescriptions .166
11.7 Conditions générales d’exécution des essais.168
11.8 Essais de type (essais de conception).168
11.9 Essais individuels.178
11.10 Essais consécutifs à l'installation sur site .178
12 Parafoudres débrochables et parafoudres pour prises .184
12.1 Domaine d’application .184
12.2 Références normatives.184
12.3 Termes et définitions .184
12.4 Identification et classification.184
12.5 Caractéristiques assignées et conditions de service .184
12.6 Prescriptions .184

12.7 Conditions générales d'exécution des essais.186
12.8 Essais de type (essais de conception).186
12.9 Essais individuels et essais de réception.198
13 Parafoudres immergés .198
13.1 Domaine d’application .198
13.2 Références normatives.198
13.3 Termes et définitions .198
13.4 Identification et classification.198
13.5 Caractéristiques assignées et conditions de service .200
13.6 Prescriptions .200
13.7 Conditions générales d'exécution des essais.200
13.8 Essais de type (essais de conception).200
13.9 Essais individuels et essais de réception.216

– 6 – 60099-4  CEI:2004+A1:2006

Annexe A (normative) Conditions anormales de service.218

Annexe B (normative) Essai de vérification de l'équivalence thermique

entre un parafoudre complet et une fraction de parafoudre .220

Annexe C (normative) Prescriptions relatives aux parafoudres pour courants

de foudre élevés pour la gamme de tension de 1 kV à 52 kV .222

Annexe D (normative) Méthode de vérification de la caractéristique de tension

à fréquence industrielle en fonction du temps d'un parafoudre .228

Annexe E (informative) Guide pour le choix de la classe de décharge de ligne .232

Annexe F (normative) Essai de pollution artificielle relatif à la contrainte thermique

des parafoudres à oxyde métallique à enveloppe en porcelaine comportant

plusieurs éléments.236
Annexe G (informative) Renseignements caractéristiques fournis
dans les appels d'offres et les offres .266
Annexe H (informative) Circuit type pour l'essai de fonctionnement aux chocs
de courant de grande amplitude (voir 8.5.4).272
Annexe I (informative) Circuit type de générateur de choc à constantes réparties
pour l'essai de tenue aux chocs de courant de longue durée (voir 8.4).276
Annexe J (informative) Tensions résiduelles maximales typiques .278
Annexe K (informative) Procédure d’essai de vieillissement – Loi d’Arrhénius –
Problèmes liés aux températures plus élevées.280
Annexe L (informative) Guide pour la détermination de la répartition de tension
dans les parafoudres à oxyde métallique .284
Annexe M (normative) Considérations d’ordre mécanique.300
Annexe N (normative) Procédure d’essai pour déterminer la capacité
de décharge aux chocs de foudre .308

Bibliographie.314

Figure 1 – Essai de fonctionnement sur les parafoudres 10 000 A, classe de décharge
de ligne 1 et les parafoudres 5 000 A, 2 500 A et 1 500 A (voir 8.5.4) .46
Figure 2 – Essai de fonctionnement sur les parafoudres 10 000 A,
classes de décharge de ligne 2 et 3 et les parafoudres 20 000 A,
classes de décharge de ligne 4 et 5 (voir 8.5.5) .48
Figure 3 – Puissance absorbée par un parafoudre à températures élevées
en fonction du temps .74
Figure 4 – Essai de stabilité thermique sur les parafoudres 10 000 A de classe

de décharge de ligne 1 et les parafoudres 5 000 A, 2 500 A et 1 500 A.128
Figure 5 – Essai de stabilité thermique pour les parafoudres 10 000 A des classes
de décharge de ligne 2 et 3 et les parafoudres 20 000 A des classes de décharge
de ligne 4 et 5.130
Figure 6 – Essai thermomécanique .152
Figure 7 – Exemple de configuration pour l’essai thermomécanique
et orientation de l’effort de flexion.154
Figure 8 – Essai d’immersion dans l’eau .156
Figure 9 – Exemple de cycle de vieillissement climatique accéléré sous tension
(conformément à la CEI 61109) .162
Figure 10 – Autre exemple de cycle de vieillissement climatique accéléré .164
Figure 11 – Tensions d'essai de tenue de l'isolation des parafoudres
pour prise ou débrochables avec enveloppe blindée .188

– 8 – 60099-4  CEI:2004+A1:2006

Figure 12 – Puissance absorbée par un parafoudre à températures élevées

en fonction du temps .206

Figure 13 – Exemples d’unités de parafoudres.112

Figure 14 – Court-circuit échantillon d’essai.114

Figure 15 – Exemple de circuit d’essai pour ré-appliquer le circuit pré-dégradé

immédiatement avant l’application du courant d’essai de court-circuit.116

Figure C.1 – Essai de fonctionnement sur les parafoudres 20 000 A pour courants

de foudre élevés .226

Figure C.2 – Essai de stabilité thermique sur les parafoudres 20 000 A

pour courants de foudre élevés (voir 9.2.2) .226

Figure D.1 – Essai des parafoudres 10 000 A, classe de décharge de ligne 1, 5 000 A,
2 500 A et 1 500 A .228
Figure D.2 – Essai des parafoudres 20 000 A pour courants de foudre élevés .230
Figure D.3 – Essai des parafoudres 10 000 A, classes de décharge de ligne 2 et 3
et parafoudres 20 000 A, classes de décharge de ligne 4 et 5 .230
Figure E.1 – Energie spécifique en kJ par kV de tension assignée en fonction
du rapport de la tension résiduelle aux chocs de manœuvre (U ) à la valeur efficace
a
de la tension assignée U du parafoudre .234
r
Figure F.1 – Organigramme démontrant la procédure permettant de déterminer
le préchauffage d'un échantillon en essai.242
Figure H.1 – Schéma de circuit type pour l'essai de fonctionnement aux chocs
de courant de grande amplitude.272
Figure I.1 – Circuit type de générateur de chocs à constantes réparties pour l'essai
aux chocs de courant de longue durée.276
Figure L.1 – Installation triphasée type de parafoudres .294
Figure L.2 – Circuit équivalent simplifié multi-étages d’un parafoudre .294
Figure L.3 – Géométrie du modèle de parafoudre .296
°
Figure L.4 – Exemple de caractéristique courant-tension en valeurs réduites à +20 C
pour une résistance à oxydes métalliques dans la région des courants de fuite .298
Figure L.5 – Répartition de tension calculée le long de la colonne de résistances
dans le cas B.298
Figure M.1 – Moment de flexion pour un parafoudre à plusieurs unités .300
Figure M.2 – Fraction de parafoudre .304
Figure M.3 – Dimensions du parafoudre.306

Tableau 1 – Classification des parafoudres.38
Tableau 2 – Echelons de tensions assignées.38

a
Tableau 3 – Essais de type de parafoudre .56
Tableau 4 – Valeurs de crête des courants pour l'essai de vérification
de la tension résiduelle .66
Tableau 5 – Paramètres pour l'essai de décharge de ligne
sur les parafoudres 20 000 A et 10 000 A .68
Tableau 6 – Prescriptions pour l'essai aux chocs de courant de longue durée
sur les parafoudres 5 000 A et 2 500 A .70
Tableau 7 – Détermination des tensions assignée et de service permanent majorées.76
Tableau 8 – Prescriptions pour les chocs de courant de grande amplitude.86
Tableau 14 – Exigences d’essai.108
Tableau 15 – Courants exigés pour les essais de court-circuit .110

– 10 – 60099-4  CEI:2004+A1:2006

Tableau 8 – Prescriptions pour les chocs de courant de grande amplitude.138

Tableau 9 – Parafoudres blindés triphasés 10 000 A et 20 000 A –

Tensions de tenue prescrites .180

Tableau 10 – Parafoudres blindés triphasés 1 500 A, 2 500 A et 5 000 A –

Tensions de tenue prescrites .182

Tableau 11 – Tensions d'essai de tenue de l'isolation des parafoudres débrochables

non blindés .188

Tableau 12 – Tensions d'essai de tenue de l'isolation de l’enveloppe des parafoudres

débrochables ou pour prise blindés.188

Tableau 8 – Prescriptions pour les chocs de courant de grande amplitude.192

Tableau 13 – Essais de décharges partielles internes pour les parafoudres
débrochables et les parafoudres pour prise .198
Tableau 7 – Détermination des tensions assignée et de service permanent majorées.206
Tableau 8 – Prescriptions pour les chocs de courant de grande amplitude.208
Tableau C.1 – Prescriptions relatives aux parafoudres 20 000 A pour courants
de foudre élevés .224
Tableau F.1 – Charge moyenne externe pour différentes sévérités de la pollution .244
Tableau F.2 – Caractéristiques de l'échantillon utilisé lors de l'essai de pollution.246
Tableau F.3 – Exigences relatives à l'appareil de mesure de la charge.248
Tableau F.4 – Exigences relatives à l'appareil de mesure de la température.250
Tableau F.5 – Résultats du calcul de ΔT pour l'exemple choisi .262
z max
Tableau F.6 – Résultats de l'essai sous brouillard salin pour l'exemple choisi.262
Tableau F.7 – Valeurs calculées de ΔT et T après 5 cycles pour l'exemple choisi.264
z OD
Tableau F.8 – Valeurs calculées de ΔT et T après 10 cycles pour l'exemple choisi.264
z OD
Tableau J.1 – Tensions résiduelles pour les parafoudres 20 000 A et 10 000 A

Valeurs rapportées à la tension assignée.278
Tableau J.2 – Tensions résiduelles pour les parafoudres 5 000 A, 2 500 A et 1 500 A
Valeurs rapportées à la tension assignée.278
Tableau K.1 – Durée de vie minimale prévisible démontrée .280
Tableau K.2 – Relation entre durée d’essai à 115 °C et durée équivalente
à la limite supérieure de la température ambiante.282
Tableau L.1 – Résultats d'exemples de calcul.292

– 12 – 60099-4  CEI:2004+A1:2006

COMMISSION ÉLECTROTECHNIQUE INTERNATIONALE

–––––––––––
PARAFOUDRES –
Partie 4: Parafoudres à oxyde métallique sans

éclateurs pour réseaux à courant alternatif

AVANT-PROPOS
1) La Commission Electrotechnique Internationale (CEI) est une organisation mondiale de normalisation
composée de l'ensemble des comités électrotechniques nationaux (Comités nationaux de la CEI). La CEI a
pour objet de favoriser la coopération internationale pour toutes les questions de normalisation dans les
domaines de l'électricité et de l'électronique. A cet effet, la CEI – entre autres activités – publie des Normes
internationales, des Spécifications techniques, des Rapports techniques, des Spécifications accessibles au
public (PAS) et des Guides (ci-après dénommés «Publication(s) de la CEI»). Leur élaboration est confiée à des
comités d'études, aux travaux desquels tout Comité national intéressé par le sujet traité peut participer. Les
organisations internationales, gouvernementales et non gouvernementales, en liaison avec la CEI, participent
également aux travaux. La CEI collabore étroitement avec l'Organisation Internationale de Normalisation (ISO),
selon des conditions fixées par accord entre les deux organisations.
2) Les décisions ou accords officiels de la CEI concernant les questions techniques représentent, dans la mesure
du possible, un accord international sur les sujets étudiés, étant donné que les Comités nationaux de la CEI
intéressés sont représentés dans chaque comité d’études.
3) Les Publications de la CEI se présentent sous la forme de recommandations internationales et sont agréées
comme telles par les Comités nationaux de la CEI. Tous les efforts raisonnables sont entrepris afin que la CEI
s'assure de l'exactitude du contenu technique de ses publications; la CEI ne peut pas être tenue responsable
de l'éventuelle mauvaise utilisation ou interprétation qui en est faite par un quelconque utilisateur final.
4) Dans le but d'encourager l'uniformité internationale, les Comités nationaux de la CEI s'engagent, dans toute la
mesure possible, à appliquer de façon transparente les Publications de la CEI dans leurs publications
nationales et régionales. Toutes divergences entre toutes Publications de la CEI et toutes publications
nationales ou régionales correspondantes doivent être indiquées en termes clairs dans ces dernières.
5) La CEI n’a prévu aucune procédure de marquage valant indication d’approbation et n'engage pas sa
responsabilité pour les équipements déclarés conformes à une de ses Publications.
6) Tous les utilisateurs doivent s'assurer qu'ils sont en possession de la dernière édition de cette publication.
7) Aucune responsabilité ne doit être imputée à la CEI, à ses administrateurs, employés, auxiliaires ou
mandataires, y compris ses experts particuliers et les membres de ses comités d'études et des Comités
nationaux de la CEI, pour tout préjudice causé en cas de dommages corporels et matériels, ou de tout autre
dommage de quelque nature que ce soit, directe ou indirecte, ou pour supporter les coûts (y compris les frais
de justice) et les dépenses découlant de la publication ou de l'utilisation de cette Publication de la CEI ou de
toute autre Publication de la CEI, ou au crédit qui lui est accordé.
8) L'attention est attirée sur les références normatives citées dans cette publication. L'utilisation de publications
référencées est obligatoire pour une application correcte de la présente publication.
9) L’attention est attirée sur le fait que certains des éléments de la présente Publication de la CEI peuvent faire

l’objet de droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. La CEI ne saurait être tenue pour
responsable de ne pas avoir identifié de tels droits de propriété et de ne pas avoir signalé leur existence.
La présente Norme internationale CEI 60099-4 a été établie par le comité d'études 37 de la
CEI: Parafoudres.
Cette édition inclut les modifications techniques significatives suivantes en référence à la
précédente édition:
• Les Articles 1, 2 et 3 contiennent les paragraphes communs qui couvrent tous les types de
parafoudres. Les Articles 4 à 9 contiennent les paragraphes qui s’appliquent aux
parafoudres à enveloppe en porcelaine. Dans une très grande partie, le contenu des
Articles 4 à 9 s’applique également aux types de parafoudres différents de ceux à
enveloppe de porcelaine. Toutes les exceptions qui s’appliquent aux parafoudres à
enveloppe polymère (GIS) aux parafoudres sous enveloppe métallique à isolation gazeuse
(parafoudres blindés), parafoudres débrochables et parafoudres pour prises, et aux
parafoudres immergés sont incluses dans les Articles 10 à 13 sous forme de paragraphes
entiers et non en tant que parties de paragraphes. Cela signifie que n’importe quel article

– 14 – 60099-4 © CEI:2004+A1:2006

des Articles 4 à 9 ne s’applique pas entièrement à un type particulier de parafoudre, un

paragraphe de remplacement est alors donné dans son intégralité dans les Articles

appropriées 10, 11, 12 ou 13. Cela évite à l’utilisateur du document d’avoir à juger quelle

partie de l’article est modifiée

• Le Tableau 1 a été modifié. Le précédent Tableau 1 incluait les références aux

paragraphes des essais de type (essais de conception). De telles références ne sont pas

vraiment appropriées au nouvel Article 4 et ont été transférées dans le nouveau Tableau 3

de Article 8.
• Articles 6, 8, 11, 12 et 13: des modifications ont été apportées aux prescriptions des court-

circuits.
• Les prescriptions de l’Article 13 (Considérations mécaniques) ont été incorporées dans les
Articles 5, 6, 8, 10, 11, 12 et 13, et dans l’Annexe A de cette nouvelle édition.
La présente version consolidée de la CEI 60099-4 comprend la deuxième édition (2004)
[documents 37/298/FDIS et 37/300/RVD] et son amendement 1 (2006) [documents
37/324/FDIS et 37/325/RVD].
Le contenu technique de cette version consolidée est donc identique à celui de l'édition de
base et à son amendement; cette version a été préparée par commodité pour l'utilisateur.
Elle porte le numéro d'édition 2.1.
Une ligne verticale dans la marge indique où la publication de base a été modifiée par
l'amendement 1.
Cette publication a été rédigée selon les Directives ISO/CEI, Partie 2.
Le comité a décidé que le contenu de la publication de base et de ses amendements ne sera
pas modifié avant la date de maintenance indiquée sur le site web de la CEI sous
"http://webstore.iec.ch" dans les données relatives à la publication recherchée. A cette date,
la publication sera
• reconduite,
• supprimée,
• remplacée par une édition révisée, ou
• amendée.
– 16 – 60099-4  CEI:2004+A1:2006

INTRODUCTION
Cette partie de la CEI 60099 présente les critères minimaux pour les prescriptions et pour les

essais des parafoudres sans éclateur à oxyde métallique destinés à être utilisés sur les

réseaux de puissance en courant alternatif.

Les parafoudres décrits dans cette norme sont couramment utilisés dans des installations

reliées à des lignes aériennes, à la place des parafoudres à éclateurs à résistance variable

qui font l'objet de la CEI 60099-1.

– 18 – 60099-4  CEI:2004+A1:2006

PARAFOUDRES –
Partie 4: Parafoudres à oxyde métallique sans

éclateurs pour réseaux à courant alternatif

1 Domaine d'application
La présente partie de la CEI 60099 s'applique aux parafoudres à résistance variable à oxyde
métallique sans éclateur conçus pour limiter les surtensions sur les réseaux à courant
alternatif.
2 Références normatives
Les documents de référence suivants sont indispensables pour l'application du présent
document. Pour les références datées, seule l'édition citée s'applique. Pour les références
non datées, la dernière édition du document de référence s'applique (y compris les éventuels
amendements).
CEI 60060-1:1989, Techniques des essais à haute tension – Partie 1: Définitions et
prescriptions générales relatives aux essais
IEC 60060-2:1994, Techniques des essais à haute tension – Partie 2: Systèmes de mesure
CEI 60068-2-11:1981, Essais d'environnement – Partie 2: Essais – Essai Ka: Brouillard salin
CEI 60068-2-14:1984, Essais d'environnement – Partie 2: Essais – Essai N: Variations de
température
CEI 60068-2-42:2003, Essais d'environnement – Partie 2-42: Essais – Essai Kc: Essai à
l’anhydride sulfureux
CEI 60071-1:1993, Coordination de l’isolement – Partie 1: Définitions, principes et règles
CEI 60071-2:1996, Coordination de l’isolement – Partie 2: Guide d’application
CEI 60270:2000, Techniques des essais à haute tension – Mesures des décharges partielles

CEI 60507:1991, Essais sous pollution artificielle des isolateurs pour haute tension destinés
aux réseaux à courant alternatif
CEI 60815:1986, Guide pour le choix des isolateurs sous pollution
CEI 61109:1992, Isolateurs composites destinés aux lignes aériennes à courant alternatif
de tension nominale supérieure à 1 000 V – Définitions, méthodes d'essai et critères
d’acceptation
CEI 61166:1993, Disjoncteurs à courant alternatif à haute tension – Guide pour la
qualification sismique des disjoncteurs à courant alternatif à haute tension
CEI 61330:1995, Postes préfabriqués haute tension/basse tension

– 20 – 60099-4  CEI:2004+A1:2006

CEI 62271-200:2003, Appareillage à haute tension – Partie 200: Appareillage sous enveloppe
métallique pour courant alternatif de tensions assignées supérieures à 1 kV et inférieures ou

égales à 52 kV
CEI 62271-203:2003, Appareillage à haute tension – Partie 203: Appareillage sous enveloppe

métallique à isolation gazeuse de tensions assignées supérieures à 52 kV

CISPR 16-1:1999, Spécifications des méthodes et des appareils de mesure des perturbations

radioélectriques et de l'immunité aux perturbations radioélectriques – Partie 1: Appareils de

mesure des perturbations radioélectriques et de l'immunité aux perturbations radioélectriques

CISPR 18-2:1986, Caractéristiques des lignes et des équipements à haute tension relatives
aux perturbations radioélectriques – Partie 2: Méthodes de mesure et procédure
d'établissement des limites.
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les définitions suivantes s'appliquent.
3.1
parafoudre à oxyde métallique sans éclateur
parafoudre à résistances variables à oxyde métallique connectées en série et/ou en parallèle,
ne comportant pas d'éclateurs en série ou en parallèle
3.2
résistance variable à oxyde métallique
partie d'un parafoudre qui, par sa caractéristique non linéaire de la tension en fonction du
courant, fonctionne comme une résistance de faible valeur pour les surtensions, limitant ainsi
la tension aux bornes du parafoudre, et comme une résistance de valeur élevée à la tension
normale à fréquence industrielle
3.3
système de répartition interne d'un parafoudre
impédances de répartition, en particulier condensateurs de répartition connectés en parallèle
sur une seule résistance ou sur un groupe de résistances non linéaires à oxyde métallique
pour fixer la répartition de la tension le long de la colonne de résistances à oxyde métallique
3.4
anneau de garde d'un parafoudre
partie métallique, généralement de forme circulaire, montée pour modifier électrostatiquement
la répartition de la tension le long du parafoudre

3.5
fraction de parafoudre
partie complète d'un parafoudre, correctement assemblée, nécessaire pour représenter le
comportement d'un parafoudre complet lors d'un essai particulier
NOTE Une fraction de parafoudre n'est pas nécessairement un élément de parafoudre.
3.6
élément de parafoudre
partie d'un parafoudre, entièrement contenue dans une enveloppe, qui peut être connectée en
série et/ou en parallèle avec d'autres éléments pour réaliser un parafoudre ayant des valeurs
assignées de tension et/ou de courant plus élevées
NOTE Un élément de parafoudre n'est pas nécessairement une fraction de parafoudre.

– 22 – 60099-4  CEI:2004+A1:2006

3.7
limiteur de pression d'un parafoudre

dispositif destiné à limiter la pression interne d'un parafoudre et à éviter la rupture brutale de

l'enveloppe à la suite du passage prolongé du courant de défaut ou d'un amorçage à

l'intérieur du parafoudre
3.8
tension assignée d'un parafoudre

U
r
valeur maximale de la tension efficace à fréquence industrielle admissible entre ses bornes
pour laquelle le parafoudre est prévu pour fonctionner correctement dans des conditions de

surtension temporaires comme il est défini dans les essais de fonctionnement (voir 8.5).

NOTE 1 La tension assignée est utilisée comme paramètre de référence pour la spécification des caractéristiques
de fonctionnement.
NOTE 2 La tension assignée comme définie dans la présente norme est la tension à fréquence industrielle de
10 s, utilisée pour vérifier la stabilité après application des chocs de courant de grande amplitude ou de longue
durée lors de l'essai de fonctionnement. Les essais utilisés pour définir la tension assignée dans la CEI 60099-1,
ainsi que dans certaines normes nationales, impliquent l'application de chocs répétés au courant nominal pendant
que la tension à fréquence industrielle est appliquée. On attire l'attention sur le fait que ces deux méthodes
utilisées pour définir les valeurs assignées ne produisent pas nécessairement des valeurs équivalentes (une
résolution de cette différence est à l'étude).
3.9
tension de régime permanent d'un parafoudre
U
c
valeur désignée admissible de la tension de régime permanent efficace à fréquence
industrielle qui peut être appliquée de façon continue entre les bornes du parafoudre selon
8.5.
3.10
fréquence nominale d'un parafoudre
fréquence du réseau pour laquelle le parafoudre est prévu
3.11
décharge disruptive
phénomène associé à une défaillance de l'isolation sous l'effet de la contrainte électrique,
avec chute de la tension et passage d'un courant.
NOTE 1 Ce terme s'applique aux perforations électriques de diélectriques solides, liquides et gazeux, et à leurs
combinaisons.
NOTE 2 Une décharge disruptive dans un isolant électrique solide entraîne une perte permanente de la rigidité
diélectrique. Dans un isolant liquide ou gazeux, la perte de la rigidité diélectrique peut n'être que temporaire.
3.12
perforation
claquage
décharge disruptive à travers un solide
3.13
contournement
décharge disruptive le long d'une surface solide
3.14
choc
onde de tension ou de courant unidirectionnelle qui, sans oscillations appréciables, croît
rapidement jusqu'à une valeur maximale et tombe à zéro, habituellement moins rapidement,
avec, éventuellement, de petites ondes de polarité opposée
NOTE Les paramètres qui définissent un choc de tension ou de courant sont la polarité, la valeur de crête, la
durée du front et la durée jusqu'à la mi-valeur sur la queue.

– 24 – 60099-4  CEI:2004+A1:2006

3.15
énoncé de la forme d'un choc
combinaison de deux valeurs, la première représentant la durée conventionnelle du front (T )
et la seconde la durée conventionnelle jusqu'à la mi-valeur sur la queue (T ).
NOTE L'onde est représentée par T /T , en microsecondes, le signe «/» n'ayant aucune signification
1 2
mathématique.
3.16
choc de courant à front raide
choc de courant dont la durée conventionnelle de front est de 1 µs; les limites de réglage sont

telles que l'on mesure des valeurs comprises entre 0,9 µs et 1,1 µs. La durée conventionnelle

jusqu'à mi-valeur sur la queue ne dépasse pas 20 µs.
NOTE Pour la mesure de la tension résiduelle lors des essais de type (voir 8.3), la durée jusqu'à mi-valeur sur la
queue n'est pas un paramètre critique et aucune tolérance n'est imposée.
3.17
choc de courant de foudre
choc de courant 8/20; les limites de réglage sont telles que l'on mesure des valeurs
comprises entre 7 µs et 9 µs pour la durée conventionnelle de front et entre 18 µs et 22 µs
pour la durée jusqu'à mi-valeur sur la queue.
NOTE Pour la mesure de la tension résiduelle lors des essais de type (voir 8.3), la durée jusqu'à mi-valeur sur la
queue n'est pas un paramètre critique et aucune tolérance n'est imposée.
3.18
choc de courant de longue durée
choc rectan
...

NORME CEI
INTERNATIONALE
IEC
60099-4
INTERNATIONAL
Deuxième édition
STANDARD
Second edition
2004-05
Parafoudres –
Partie 4:
Parafoudres à oxyde métallique sans éclateurs
pour réseaux à courant alternatif

Surge arresters –
Part 4:
Metal-oxide surge arresters without gaps
for a.c. systems
Numéro de référence
Reference number
CEI/IEC 60099-4:2004
Numérotation des publications Publication numbering

Depuis le 1er janvier 1997, les publications de la CEI As from 1 January 1997 all IEC publications are

sont numérotées à partir de 60000. Ainsi, la CEI 34-1 issued with a designation in the 60000 series. For

devient la CEI 60034-1. example, IEC 34-1 is now referred to as IEC 60034-1.

Editions consolidées Consolidated editions

Les versions consolidées de certaines publications de la The IEC is now publishing consolidated versions of its

CEI incorporant les amendements sont disponibles. Par publications. For example, edition numbers 1.0, 1.1

exemple, les numéros d’édition 1.0, 1.1 et 1.2 indiquent and 1.2 refer, respectively, to the base publication,
respectivement la publication de base, la publication de the base publication incorporating amendment 1 and
base incorporant l’amendement 1, et la publication de the base publication incorporating amendments 1
base incorporant les amendements 1 et 2. and 2.
Informations supplémentaires Further information on IEC publications
sur les publications de la CEI
Le contenu technique des publications de la CEI est The technical content of IEC publications is kept
constamment revu par la CEI afin qu'il reflète l'état under constant review by the IEC, thus ensuring that
actuel de la technique. Des renseignements relatifs à the content reflects current technology. Information
cette publication, y compris sa validité, sont dispo- relating to this publication, including its validity, is
nibles dans le Catalogue des publications de la CEI available in the IEC Catalogue of publications
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• Catalogue des publications de la CEI • Catalogue of IEC publications
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(www.iec.ch/searchpub) vous permet de faire des (www.iec.ch/searchpub) enables you to search by a
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comprenant des recherches textuelles, par comité technical committees and date of publication. On-
d’études ou date de publication. Des informations en line information is also available on recently
ligne sont également disponibles sur les nouvelles issued publications, withdrawn and replaced
publications, les publications remplacées ou retirées, publications, as well as corrigenda.
ainsi que sur les corrigenda.
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(www.iec.ch/online_news/justpub) est aussi dispo- (www.iec.ch/online_news/justpub) is also available
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.
NORME CEI
INTERNATIONALE
IEC
60099-4
INTERNATIONAL
Deuxième édition
STANDARD
Second edition
2004-05
Parafoudres –
Partie 4:
Parafoudres à oxyde métallique sans éclateurs
pour réseaux à courant alternatif

Surge arresters –
Part 4:
Metal-oxide surge arresters without gaps
for a.c. systems
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– 2 – 60099-4 © CEI:2004
SOMMAIRE
AVANT-PROPOS.12

INTRODUCTION.16

1 Domaine d'application.18

2 Références normatives.18

3 Termes et définitions .20

4 Identification et classification.36

4.1 Identification des parafoudres .36

4.2 Classification des parafoudres.38
5 Caractéritiques assignées et conditions de service.38
5.1 Tensions assignées normales .38
5.2 Fréquences assignées normales.38
5.3 Valeurs normales des courants nominaux de décharge .38
5.4 Conditions de service .40
6 Prescriptions.40
6.1 Tenue diélectrique de l'enveloppe du parafoudre.40
6.2 Tension de référence.42
6.3 Tensions résiduelles.42
6.4 Décharges partielles internes.42
6.5 Taux de fuite de l'étanchéité.42
6.6 Répartition du courant dans les parafoudres à plusieurs colonnes.42
6.7 Stabilité thermique.42
6.8 Tenue au choc de courant de longue durée .42
6.9 Fonctionnement des parafoudres .44
6.10 Caractéristique de tension à fréquence industrielle en fonction du temps
d'un parafoudre .50
6.11 Court-circuit.50
6.12 Dispositif de déconnexion.50
6.13 Prescriptions pour les équipements auxiliaires tels que les éléments de
répartition.50
6.14 Efforts mécaniques.50
6.15 Compatibilité électromagnétique.52
6.16 Fin de cycle.52

7 Conditions générales d’éxécution des essais.52
7.1 Appareillage de mesure et précision.52
7.2 Mesures de la tension de référence.54
7.3 Echantillons destinés aux essais .54
8 Essais de type (essais de conception) .54
8.1 Généralités.54
8.2 Essais de tenue de l'isolation de l'enveloppe du parafoudre .58
8.3 Essais de vérification de la tension résiduelle.60
8.4 Essai de tenue aux chocs de courant de longue durée .66
8.5 Essais de fonctionnement.70
8.6 Essai des dispositifs déconnecteurs/indicateurs de défaut pour parafoudres .86
8.7 Procédure d’essai de court-circuit .90
8.8 Essais de décharges partielles internes.90
8.9 Essai en moment de flexion.90

60099-4  IEC:2004 – 3 –
CONTENTS
FOREWORD.13

INTRODUCTION.17

1 Scope.19

2 Normative references.19

3 Terms and definitions .21

4 Identification and classification.37

4.1 Arrester identification.37

4.2 Arrester classification.39

5 Standard ratings and service conditions .39
5.1 Standard rated voltages.39
5.2 Standard rated frequencies .39
5.3 Standard nominal discharge currents .39
5.4 Service conditions .41
6 Requirements.41
6.1 Insulation withstand of the arrester housing.41
6.2 Reference voltage.43
6.3 Residual voltages.43
6.4 Internal partial discharges .43
6.5 Seal leak rate .43
6.6 Current distribution in a multi-column arrester .43
6.7 Thermal stability.43
6.8 Long-duration current impulse withstand .43
6.9 Operating duty.45
6.10 Power-frequency voltage versus time characteristics of an arrester.51
6.11 Short-circuit.51
6.12 Disconnector.51
6.13 Requirements for auxiliary equipment such as grading components .51
6.14 Mechanical loads.51
6.15 Electromagnetic compatibility.53
6.16 End of life.53
7 General testing procedure.53
7.1 Measuring equipment and accuracy .53
7.2 Reference voltage measurements.55

7.3 Test samples.55
8 Type tests (design tests) .55
8.1 General.55
8.2 Insulation withstand tests on the arrester housing .59
8.3 Residual voltage tests.61
8.4 Long-duration current impulse withstand test.67
8.5 Operating duty tests .71
8.6 Tests of arrester disconnectors/fault indicators.87
8.7 Short-circuit test procedure.91
8.8 Internal partial discharge tests .91
8.9 Test of the bending moment .91

– 4 – 60099-4 © CEI:2004
8.10 Essais d’environnement .92

8.11 Essai de mesure du taux de fuite.94

8.12 Essai aux tensions perturbatrices RF (RIV) .96

9 Essais individuels et essais de réception.98

9.1 Essais individuels.98

9.2 Essais de réception.100

10 Prescriptions d’essais pour les parafoudres à enveloppe synthétique .104

10.1 Domaine d’application.104

10.2 Références normatives.104

10.3 Termes et définitions .104
10.4 Identification et classification.104
10.5 Caractéristiques assignées et conditions de service .104
10.6 Prescriptions.104
10.7 Conditions générales d’exécution des essais.106
10.8 Essais de type (essais de conception).106
11 Prescriptions d’essais pour les parafoudres sous enveloppe métallique à isolation
gazeuse (Parafoudres blindés) .138
11.1 Domaine d’application.138
11.2 Références normatives.138
11.3 Termes et définitions .138
11.4 Identification et classification.138
11.5 Caractéristiques assignées et conditions de service .138
11.6 Prescriptions.140
11.7 Conditions générales d’exécution des essais.142
11.8 Essais de type (essais de conception).142
11.9 Essais individuels.152
11.10 Essais consécutifs à l'installation sur site .152
12 Parafoudres débrochables et parafoudres pour prises .158
12.1 Domaine d’application.158
12.2 Références normatives.158
12.3 Termes et définitions .158
12.4 Identification et classification.158
12.5 Caractéristiques assignées et conditions de service .158
12.6 Prescriptions.158
12.7 Conditions générales d'exécution des essais.160

12.8 Essais de type (essais de conception).160
12.9 Essais individuels et essais de réception.172
13 Parafoudres immergés.172
13.1 Domaine d’application.172
13.2 Références normatives.172
13.3 Termes et définitions .172
13.4 Identification et classification.172
13.5 Caractéristiques assignées et conditions de service .174
13.6 Prescriptions.174
13.7 Conditions générales d'exécution des essais.174
13.8 Essais de type (essais de conception).174
13.9 Essais individuels et essais de réception.190

60099-4  IEC:2004 – 5 –
8.10 Environmental tests.93

8.11 Seal leak rate test .95

8.12 Radio interference voltage (RIV) test.97

9 Routine tests and acceptance tests .99

9.1 Routine tests.99

9.2 Acceptance tests.101

10 Test requirements on polymer-housed surge arresters .105

10.1 Scope.105

10.2 Normative references.105

10.3 Terms and definitions .105
10.4 Identification and classification.105
10.5 Standard ratings and service conditions .105
10.6 Requirements.105
10.7 General testing procedure.107
10.8 Type tests (design tests) .107
11 Test requirements on gas-insulated metal enclosed arresters (GIS-arresters) .139
11.1 Scope.139
11.2 Normative references.139
11.3 Terms and definitions .139
11.4 Identification and classification.139
11.5 Standard ratings and service conditions .139
11.6 Requirements.141
11.7 General testing procedures.143
11.8 Type tests (design tests) .143
11.9 Routine tests.153
11.10 Test after erection on site.153
12 Separable and dead-front arresters .159
12.1 Scope.159
12.2 Normative references.159
12.3 Terms and definitions .159
12.4 Identification and classification.159
12.5 Standard ratings and service conditions .159
12.6 Requirements.159
12.7 General testing procedure.161
12.8 Type tests (design tests) .161
12.9 Routine tests and acceptance tests .173
13 Liquid-immersed arresters.173
13.1 Scope.173
13.2 Normative references.173
13.3 Terms and definitions .173
13.4 Identification and classification.173
13.5 Standard ratings and service conditions .175
13.6 Requirements.175
13.7 General testing procedure.175
13.8 Type tests (design tests) .175
13.9 Routine tests and acceptance tests .191

– 6 – 60099-4 © CEI:2004
Annexe A (normative) Conditions anormales de service.192

Annexe B (normative) Essai de vérification de l'équivalence thermique entre un

parafoudre complet et une fraction de parafoudre .194

Annexe C (normative) Prescriptions relatives aux parafoudres pour courants de foudre

élevés pour la gamme de tension de 1 kV à 52 kV .196

Annexe D (normative) Méthode de vérification de la caractéristique de tension à

fréquence industrielle en fonction du temps d'un parafoudre.202

Annexe E (informative) Guide pour le choix de la classe de décharge de ligne .206

Annexe F (normative) Essai de pollution artificielle relatif à la contrainte thermique

des parafoudres à oxyde métallique à enveloppe en porcelaine comportant plusieurs

éléments.210
Annexe G (informative) Renseignements caractéristiques fournis dans les appels
d'offres et les offres .240
Annexe H (informative) Circuit type pour l'essai de fonctionnement aux chocs de
courant de grande amplitude (voir 8.5.4).246
Annexe I (informative) Circuit type de générateur de choc à constantes réparties pour
l'essai de tenue aux chocs de courant de longue durée (voir 8.4) .250
Annexe J (informative) Tensions résiduelles maximales typiques.252
Annexe K (informative) Procédure d’essai de vieillissement – Loi d’Arrhénius –
Problèmes liés aux températures plus élevées.254
Annexe L (informative) Guide pour la détermination de la répartition de tension dans
les parafoudres à oxyde métallique.258
Annexe M (normative) Considérations d’ordre mécanique.274
Annexe N (informative) Essais de court-circuit.282

Bibliographie.300

Figure 1 – Essai de fonctionnement sur les parafoudres 10 000 A, classe de décharge
de ligne 1 et les parafoudres 5 000 A, 2 500 A et 1 500 A (voir 8.5.4) .46
Figure 2 – Essai de fonctionnement sur les parafoudres 10 000 A, classes de décharge
de ligne 2 et 3 et les parafoudres 20 000 A, classes de décharge de ligne 4 et 5
(voir 8.5.5) .48
Figure 3 – Puissance absorbée par un parafoudre à températures élevées en fonction
du temps.74
Figure 4 – Essai de stabilité thermique sur les parafoudres 10 000 A de classe de
décharge de ligne 1 et les parafoudres 5 000 A, 2 500 A et 1 500 A .102

Figure 5 – Essai de stabilité thermique pour les parafoudres 10 000 A des classes de
décharge de ligne 2 et 3 et les parafoudres 20 000 A des classes de décharge de
ligne 4 et 5.104
Figure 6 – Essai thermomécanique .126
Figure 7 – Exemple de configuration pour l’essai thermomécanique et orientation de
l’effort de flexion .128
Figure 8 – Essai d’immersion dans l’eau .130
Figure 9 – Exemple de cycle de vieillissement climatique accéléré sous tension
(conformément à la CEI 61109) .136
Figure 10 – Autre exemple de cycle de vieillissement climatique accéléré .138
Figure 11 – Tensions d'essai de tenue de l'isolation des parafoudres pour prise ou
débrochables avec enveloppe blindée .162

60099-4  IEC:2004 – 7 –
Annex A (normative) Abnormal service conditions.193

Annex B (normative) Test to verify thermal equivalency between complete arrester

and arrester section .195

Annex C (normative) Requirements for high lightning duty arresters for voltage range

1 kV to 52 kV .197

Annex D (normative) Procedure to verify the power-frequency voltage-versus-time

characteristics of an arrester.203

Annex E (informative) Guide to selection of line discharge class.207

Annex F (normative) Artificial pollution test with respect to the thermal stress on

porcelain-housed multi-unit metal-oxide surge arresters .211

Annex G (informative) Typical information given with enquiries and tenders .241
Annex H (informative) Typical circuit for high current impulse operating duty test
(see 8.5.4) .247
Annex I (informative) Typical circuit for a distributed constant impulse generator for
the long duration current impulse withstand test (see 8.4).251
Annex J (informative) Typical maximum residual voltages.253
Annex K (informative) Ageing test procedure – Arrhenius law – Problems with higher
temperatures .255
Annex L (informative) Guide for the determination of the voltage distribution along
metal-oxide surge arresters .259
Annex M (normative) Mechanical considerations.275
Annex N (informative) Short-circuit tests.283

Bibliography.301

Figure 1 – Operating duty test on 10 000 A line discharge Class 1, 5 000 A, 2 500 A
and 1 500 A arresters (see 8.5.4).47
Figure 2 – Operating duty test on 10 000 A arresters line discharge Classes 2 and 3
and 20 000 A arresters line discharge Classes 4 and 5 (see 8.5.5) .49
Figure 3 – Power losses of the arrester at elevated temperatures versus time .75
Figure 4 – Thermal stability test on 10 000 A line discharge Class 1, 5 000 A, 2 500 A
and 1 500 A arresters .103
Figure 5 – Thermal stability test on 10 000 A arresters line discharge Classes 2 and 3
and 20 000 A arresters line discharge Classes 4 and 5.105
Figure 6 – Thermomechanical test .127

Figure 7 – Example of the test arrangement for the thermomechanical test and
direction of the cantilever load .129
Figure 8 – Water immersion .131
Figure 9 – Example of an accelerated weather ageing cycle under operating voltage
(according to IEC 61109) .137
Figure 10 – Another example of an accelerated weather ageing cycle.139
Figure 11 – Test set-up for insulation withstand test of separable arresters in insulating
housings .163

– 8 – 60099-4 © CEI:2004
Figure 12 – Puissance absorbée par un parafoudre à températures élevées en fonction

du temps.180

Figure C.1 – Essai de fonctionnement sur les parafoudres 20 000 A pour courants de

foudre élevés .200

Figure C.2 – Essai de stabilité thermique sur les parafoudres 20 000 A pour courants
de foudre élevés (voir 9.2.2) .200

Figure D.1 – Essai des parafoudres 10 000 A, classe de décharge de ligne 1, 5 000 A,

2 500 A et 1 500 A .202

Figure D.2 – Essai des parafoudres 20 000 A pour courants de foudre élevés .204

Figure D.3 – Essai des parafoudres 10 000 A, classes de décharge de ligne 2 et 3 et

parafoudres 20 000 A, classes de décharge de ligne 4 et 5 .204
Figure E.1 – Energie spécifique en kJ par kV de tension assignée en fonction du
rapport de la tension résiduelle aux chocs de manœuvre (U ) à la valeur efficace de la
a
tension assignée U du parafoudre .208
r
Figure F.1 – Organigramme démontrant la procédure permettant de déterminer le
préchauffage d'un échantillon en essai .216
Figure H.1 – Schéma de circuit type pour l'essai de fonctionnement aux chocs de
courant de grande amplitude.246
Figure I.1 – Circuit type de générateur de chocs à constantes réparties pour l'essai aux
chocs de courant de longue durée .250
Figure L.1 – Installation triphasée type de parafoudres .268
Figure L.2 – Circuit équivalent simplifié multi-étages d’un parafoudre .268
Figure L.3 – Géométrie du modèle de parafoudre .270
o
Figure L.4 – Exemple de caractéristique courant-tension en valeurs réduites à +20 C
pour une résistance à oxydes métalliques dans la région des courants de fuite .272
Figure L.5 – Répartition de tension calculée le long de la colonne de résistances dans
le cas B .272
Figure M.1 – Moment de flexion pour un parafoudre à plusieurs unités .274
Figure M.2 – Fraction de parafoudre .278
Figure M.3 – Dimensions du parafoudre.280
Figure N.1 – Positionnement du fil fusible dans différents cas (pour les parafoudres
avec limiteur de pression) .296
Figure N.2 – Configuration d’essai pour les parafoudres avec limiteur de pression .298
Figure N.3 – Configuration d’essai pour les parafoudres sans limiteur de pression .298

Tableau 1 – Classification des parafoudres.38
Tableau 2 – Echelons de tensions assignées.38
Tableau 3 – Essais de type de parafoudre .56
Tableau 4 – Valeurs de crête des courants pour l'essai de vérification de la tension
résiduelle.66
Tableau 5 – Paramètres pour l'essai de décharge de ligne sur les parafoudres
20 000 A et 10 000 A .68
Tableau 6 – Prescriptions pour l'essai aux chocs de courant de longue durée sur les
parafoudres 5 000 et 2 500 A.70
Tableau 7 – Détermination des tensions assignée et de service permanent majorées.76
Tableau 8 – Prescriptions pour les chocs de courant de grande amplitude.80
Tableau 8 – Prescriptions pour les chocs de courant de grande amplitude.112

60099-4  IEC:2004 – 9 –
Figure 12 – Power losses of arrester at elevated temperatures versus time .181

Figure C.1 – Operating duty test on 20 000 A high lightning duty arresters .201

Figure C.2 – Thermal stability test on 20 000 A high lightning duty arresters (see 9.2.2).201

Figure D.1 –Test on 10 000 A line discharge class 1, 5 000 A, 2 500 A and 1 500 A

arresters .203

Figure D.2 –Test on 20 000 A high lightning duty arresters .205

Figure D.3 –Test on 10 000 A arresters, line discharge Classes 2 and 3 and 20 000 A
arresters, line discharge Classes 4 and 5 .205

Figure E.1 – Specific energy in kJ per kV rating dependant on the ratio of switching

impulse residual voltage (U ) to the r.m.s. value of the rated voltage U of the arrester .209
a r
Figure F.1 – Flow-chart showing the procedure for determining the preheating of a test
sample.217
Figure H.1 – Typical test circuit diagram for high current impulse operating duty test.247
Figure I.1 – Typical distributed constant impulse generator for the long-duration
impulse test .251
Figure L.1 – Typical three-phase arrester installation.269
Figure L.2 – Simplified multi-stage equivalent circuit of an arrester.269
Figure L.3 – Geometry of arrester model.271
Figure L.4 – Example of voltage-current characteristic of metal-oxide resistors at
+20 °C in the leakage current region.273
Figure L.5 – Calculated voltage stress along the resistor column in case B.273
Figure M.1 – Bending moment – multi-unit surge arrester .275
Figure M.2 – Surge arrester unit .
...

IEC 60099-4
Edition 2.1 2006-07
INTERNATIONAL
STANDARD
NORME
INTERNATIONALE
Surge arresters –
Part 4: Metal-oxide surge arresters without gaps for a.c. systems

Parafoudres –
Partie 4: Parafoudres à oxyde métallique sans éclateurs pour réseaux à courant
alternatif
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Surge arresters –
Part 4: Metal-oxide surge arresters without gaps for a.c. systems

Parafoudres –
Partie 4: Parafoudres à oxyde métallique sans éclateurs pour réseaux à courant
alternatif
INTERNATIONAL
ELECTROTECHNICAL
COMMISSION
COMMISSION
ELECTROTECHNIQUE
PRICE CODE
INTERNATIONALE
CT
CODE PRIX
ICS 29.120.50; 29.240.10 ISBN 2-8318-8729-1

– 2 – 60099-4  CEI:2004+A1:2006

SOMMAIRE
AVANT-PROPOS.12

INTRODUCTION.16

1 Domaine d'application .18

2 Références normatives.18

3 Termes et définitions .20

4 Identification et classification.36

4.1 Identification des parafoudres .36

4.2 Classification des parafoudres.38
5 Caractéritiques assignées et conditions de service.38
5.1 Tensions assignées normales .38
5.2 Fréquences assignées normales .38
5.3 Valeurs normales des courants nominaux de décharge .38
5.4 Conditions de service .40
6 Prescriptions .40
6.1 Tenue diélectrique de l'enveloppe du parafoudre.40
6.2 Tension de référence .42
6.3 Tensions résiduelles.42
6.4 Décharges partielles internes .42
6.5 Taux de fuite de l'étanchéité.42
6.6 Répartition du courant dans les parafoudres à plusieurs colonnes.42
6.7 Stabilité thermique .42
6.8 Tenue au choc de courant de longue durée .42
6.9 Fonctionnement des parafoudres .44
6.10 Caractéristique de tension à fréquence industrielle
en fonction du temps d'un parafoudre.50
6.11 Court-circuit .50
6.12 Dispositif de déconnexion.50
6.13 Prescriptions pour les équipements auxiliaires tels que les éléments
de répartition.50
6.14 Efforts mécaniques.50
6.15 Compatibilité électromagnétique.52
6.16 Fin de cycle.52

6.17 Capacité de décharge aux chocs de foudre .52
7 Conditions générales d’éxécution des essais.52
7.1 Appareillage de mesure et précision.52
7.2 Mesures de la tension de référence.54
7.3 Echantillons destinés aux essais .54
8 Essais de type (essais de conception).54
8.1 Généralités.54
8.2 Essais de tenue de l'isolation de l'enveloppe du parafoudre .58
8.3 Essais de vérification de la tension résiduelle.60
8.4 Essai de tenue aux chocs de courant de longue durée .66
8.5 Essais de fonctionnement.70
8.6 Essai des dispositifs déconnecteurs/indicateurs de défaut pour parafoudres .92
8.7 Essais de court-circuit .96
8.8 Essais de décharges partielles internes.116

60099-4  IEC:2004+A1:2006 – 3 –

CONTENTS
FOREWORD.13

INTRODUCTION.17

1 Scope.19

2 Normative references .19

3 Terms and definitions .21

4 Identification and classification .37

4.1 Arrester identification .37

4.2 Arrester classification .39

5 Standard ratings and service conditions .39
5.1 Standard rated voltages .39
5.2 Standard rated frequencies .39
5.3 Standard nominal discharge currents .39
5.4 Service conditions .41
6 Requirements .41
6.1 Insulation withstand of the arrester housing.41
6.2 Reference voltage .43
6.3 Residual voltages.43
6.4 Internal partial discharges .43
6.5 Seal leak rate .43
6.6 Current distribution in a multi-column arrester .43
6.7 Thermal stability.43
6.8 Long-duration current impulse withstand .43
6.9 Operating duty.45
6.10 Power-frequency voltage versus time characteristics of an arrester.51
6.11 Short-circuit.51
6.12 Disconnector .51
6.13 Requirements for auxiliary equipment such as grading components .51
6.14 Mechanical loads.51
6.15 Electromagnetic compatibility .53
6.16 End of life.53
6.17 Lightning impulse discharge capability .53
7 General testing procedure .53
7.1 Measuring equipment and accuracy .53

7.2 Reference voltage measurements .55
7.3 Test samples.55
8 Type tests (design tests) .55
8.1 General .55
8.2 Insulation withstand tests on the arrester housing .59
8.3 Residual voltage tests .61
8.4 Long-duration current impulse withstand test.67
8.5 Operating duty tests .71
8.6 Tests of arrester disconnectors/fault indicators.93
8.7 Short-circuit tests .97
8.8 Internal partial discharge tests .117

– 4 – 60099-4  CEI:2004+A1:2006

8.9 Essai en moment de flexion.116

8.10 Essais d’environnement .118

8.11 Essai de mesure du taux de fuite.120

8.12 Essai aux tensions perturbatrices RF (RIV) .122

9 Essais individuels et essais de réception.124

9.1 Essais individuels.124

9.2 Essais de réception .126

10 Prescriptions d’essais pour les parafoudres à enveloppe synthétique .130

10.1 Domaine d’application .130

10.2 Références normatives.130
10.3 Termes et définitions .130
10.4 Identification et classification.130
10.5 Caractéristiques assignées et conditions de service .130
10.6 Prescriptions .130
10.7 Conditions générales d’exécution des essais.132
10.8 Essais de type (essais de conception).132
11 Prescriptions d’essais pour les parafoudres sous enveloppe métallique
à isolation gazeuse (Parafoudres blindés) .164
11.1 Domaine d’application .164
11.2 Références normatives.164
11.3 Termes et définitions .164
11.4 Identification et classification.164
11.5 Caractéristiques assignées et conditions de service .164
11.6 Prescriptions .166
11.7 Conditions générales d’exécution des essais.168
11.8 Essais de type (essais de conception).168
11.9 Essais individuels.178
11.10 Essais consécutifs à l'installation sur site .178
12 Parafoudres débrochables et parafoudres pour prises .184
12.1 Domaine d’application .184
12.2 Références normatives.184
12.3 Termes et définitions .184
12.4 Identification et classification.184
12.5 Caractéristiques assignées et conditions de service .184
12.6 Prescriptions .184

12.7 Conditions générales d'exécution des essais.186
12.8 Essais de type (essais de conception).186
12.9 Essais individuels et essais de réception.198
13 Parafoudres immergés .198
13.1 Domaine d’application .198
13.2 Références normatives.198
13.3 Termes et définitions .198
13.4 Identification et classification.198
13.5 Caractéristiques assignées et conditions de service .200
13.6 Prescriptions .200
13.7 Conditions générales d'exécution des essais.200
13.8 Essais de type (essais de conception).200
13.9 Essais individuels et essais de réception.216

60099-4  IEC:2004+A1:2006 – 5 –

8.9 Test of the bending moment .117

8.10 Environmental tests.119

8.11 Seal leak rate test .121

8.12 Radio interference voltage (RIV) test.123

9 Routine tests and acceptance tests .125

9.1 Routine tests .125

9.2 Acceptance tests.127

10 Test requirements on polymer-housed surge arresters .131

10.1 Scope.131

10.2 Normative references .131
10.3 Terms and definitions .131
10.4 Identification and classification.131
10.5 Standard ratings and service conditions .131
10.6 Requirements.131
10.7 General testing procedure .133
10.8 Type tests (design tests) .133
11 Test requirements on gas-insulated metal enclosed arresters (GIS-arresters) .165
11.1 Scope.165
11.2 Normative references .165
11.3 Terms and definitions .165
11.4 Identification and classification.165
11.5 Standard ratings and service conditions .165
11.6 Requirements.167
11.7 General testing procedures .169
11.8 Type tests (design tests) .169
11.9 Routine tests .179
11.10 Test after erection on site.179
12 Separable and dead-front arresters .185
12.1 Scope.185
12.2 Normative references .185
12.3 Terms and definitions .185
12.4 Identification and classification.185
12.5 Standard ratings and service conditions .185
12.6 Requirements.185
12.7 General testing procedure .187
12.8 Type tests (design tests) .187
12.9 Routine tests and acceptance tests .199
13 Liquid-immersed arresters .199
13.1 Scope.199
13.2 Normative references .199
13.3 Terms and definitions .199
13.4 Identification and classification.199
13.5 Standard ratings and service conditions .201
13.6 Requirements.201
13.7 General testing procedure .201
13.8 Type tests (design tests) .201
13.9 Routine tests and acceptance tests .217

– 6 – 60099-4  CEI:2004+A1:2006

Annexe A (normative) Conditions anormales de service.218

Annexe B (normative) Essai de vérification de l'équivalence thermique

entre un parafoudre complet et une fraction de parafoudre .220

Annexe C (normative) Prescriptions relatives aux parafoudres pour courants

de foudre élevés pour la gamme de tension de 1 kV à 52 kV .222

Annexe D (normative) Méthode de vérification de la caractéristique de tension

à fréquence industrielle en fonction du temps d'un parafoudre .228

Annexe E (informative) Guide pour le choix de la classe de décharge de ligne .232

Annexe F (normative) Essai de pollution artificielle relatif à la contrainte thermique

des parafoudres à oxyde métallique à enveloppe en porcelaine comportant

plusieurs éléments.236
Annexe G (informative) Renseignements caractéristiques fournis
dans les appels d'offres et les offres .266
Annexe H (informative) Circuit type pour l'essai de fonctionnement aux chocs
de courant de grande amplitude (voir 8.5.4).272
Annexe I (informative) Circuit type de générateur de choc à constantes réparties
pour l'essai de tenue aux chocs de courant de longue durée (voir 8.4).276
Annexe J (informative) Tensions résiduelles maximales typiques .278
Annexe K (informative) Procédure d’essai de vieillissement – Loi d’Arrhénius –
Problèmes liés aux températures plus élevées.280
Annexe L (informative) Guide pour la détermination de la répartition de tension
dans les parafoudres à oxyde métallique .284
Annexe M (normative) Considérations d’ordre mécanique.300
Annexe N (normative) Procédure d’essai pour déterminer la capacité
de décharge aux chocs de foudre .308

Bibliographie.314

Figure 1 – Essai de fonctionnement sur les parafoudres 10 000 A, classe de décharge
de ligne 1 et les parafoudres 5 000 A, 2 500 A et 1 500 A (voir 8.5.4) .46
Figure 2 – Essai de fonctionnement sur les parafoudres 10 000 A,
classes de décharge de ligne 2 et 3 et les parafoudres 20 000 A,
classes de décharge de ligne 4 et 5 (voir 8.5.5) .48
Figure 3 – Puissance absorbée par un parafoudre à températures élevées
en fonction du temps .74
Figure 4 – Essai de stabilité thermique sur les parafoudres 10 000 A de classe

de décharge de ligne 1 et les parafoudres 5 000 A, 2 500 A et 1 500 A.128
Figure 5 – Essai de stabilité thermique pour les parafoudres 10 000 A des classes
de décharge de ligne 2 et 3 et les parafoudres 20 000 A des classes de décharge
de ligne 4 et 5.130
Figure 6 – Essai thermomécanique .152
Figure 7 – Exemple de configuration pour l’essai thermomécanique
et orientation de l’effort de flexion.154
Figure 8 – Essai d’immersion dans l’eau .156
Figure 9 – Exemple de cycle de vieillissement climatique accéléré sous tension
(conformément à la CEI 61109) .162
Figure 10 – Autre exemple de cycle de vieillissement climatique accéléré .164
Figure 11 – Tensions d'essai de tenue de l'isolation des parafoudres
pour prise ou débrochables avec enveloppe blindée .188

60099-4  IEC:2004+A1:2006 – 7 –

Annex A (normative) Abnormal service conditions .219

Annex B (normative) Test to verify thermal equivalency between complete arrester

and arrester section .221

Annex C (normative) Requirements for high lightning duty arresters

for voltage range 1 kV to 52 kV.223

Annex D (normative) Procedure to verify the power-frequency voltage-versus-time

characteristics of an arrester.229

Annex E (informative) Guide to selection of line discharge class.233

Annex F (normative) Artificial pollution test with respect to the thermal stress

on porcelain-housed multi-unit metal-oxide surge arresters.237

Annex G (informative) Typical information given with enquiries and tenders .267
Annex H (informative) Typical circuit for high current impulse operating duty test
(see 8.5.4) .273
Annex I (informative) Typical circuit for a distributed constant impulse generator
for the long duration current impulse withstand test (see 8.4) .277
Annex J (informative) Typical maximum residual voltages .279
Annex K (informative) Ageing test procedure – Arrhenius law –
Problems with higher temperatures.281
Annex L (informative) Guide for the determination of the voltage distribution
along metal-oxide surge arresters.285
Annex M (normative) Mechanical considerations .301
Annex N (normative) Test procedure to determine the lightning impulse
discharge capability .309

Bibliography.315

Figure 1 – Operating duty test on 10 000 A line discharge Class 1, 5 000 A, 2 500 A
and 1 500 A arresters (see 8.5.4).47
Figure 2 – Operating duty test on 10 000 A arresters line discharge Classes 2 and 3
and 20 000 A arresters line discharge Classes 4 and 5 (see 8.5.5) .49
Figure 3 – Power losses of the arrester at elevated temperatures versus time .75
Figure 4 – Thermal stability test on 10 000 A line discharge Class 1, 5 000 A, 2 500 A
and 1 500 A arresters .129
Figure 5 – Thermal stability test on 10 000 A arresters line discharge Classes 2 and 3
and 20 000 A arresters line discharge Classes 4 and 5.131

Figure 6 – Thermomechanical test .153
Figure 7 – Example of the test arrangement for the thermomechanical test

and direction of the cantilever load .155
Figure 8 – Water immersion .157
Figure 9 – Example of an accelerated weather ageing cycle under operating voltage
(according to IEC 61109) .163
Figure 10 – Another example of an accelerated weather ageing cycle.165
Figure 11 – Test set-up for insulation withstand test ofseparable arresters
in insulating housings .189

– 8 – 60099-4  CEI:2004+A1:2006

Figure 12 – Puissance absorbée par un parafoudre à températures élevées

en fonction du temps .206

Figure 13 – Exemples d’unités de parafoudres.112

Figure 14 – Court-circuit échantillon d’essai.114

Figure 15 – Exemple de circuit d’essai pour ré-appliquer le circuit pré-dégradé

immédiatement avant l’application du courant d’essai de court-circuit.116

Figure C.1 – Essai de fonctionnement sur les parafoudres 20 000 A pour courants

de foudre élevés .226

Figure C.2 – Essai de stabilité thermique sur les parafoudres 20 000 A

pour courants de foudre élevés (voir 9.2.2) .226

Figure D.1 – Essai des parafoudres 10 000 A, classe de décharge de ligne 1, 5 000 A,
2 500 A et 1 500 A .228
Figure D.2 – Essai des parafoudres 20 000 A pour courants de foudre élevés .230
Figure D.3 – Essai des parafoudres 10 000 A, classes de décharge de ligne 2 et 3
et parafoudres 20 000 A, classes de décharge de ligne 4 et 5 .230
Figure E.1 – Energie spécifique en kJ par kV de tension assignée en fonction
du rapport de la tension résiduelle aux chocs de manœuvre (U ) à la valeur efficace
a
de la tension assignée U du parafoudre .234
r
Figure F.1 – Organigramme démontrant la procédure permettant de déterminer
le préchauffage d'un échantillon en essai.242
Figure H.1 – Schéma de circuit type pour l'essai de fonctionnement aux chocs
de courant de grande amplitude.272
Figure I.1 – Circuit type de générateur de chocs à constantes réparties pour l'essai
aux chocs de courant de longue durée.276
Figure L.1 – Installation triphasée type de parafoudres .294
Figure L.2 – Circuit équivalent simplifié multi-étages d’un parafoudre .294
Figure L.3 – Géométrie du modèle de parafoudre .296
°
Figure L.4 – Exemple de caractéristique courant-tension en valeurs réduites à +20 C
pour une résistance à oxydes métalliques dans la région des courants de fuite .298
Figure L.5 – Répartition de tension calculée le long de la colonne de résistances
dans le cas B.298
Figure M.1 – Moment de flexion pour un parafoudre à plusieurs unités .300
Figure M.2 – Fraction de parafoudre .304
Figure M.3 – Dimensions du parafoudre.306

Tableau 1 – Classification des parafoudres.38
Tableau 2 – Echelons de tensions assignées.38

a
Tableau 3 – Essais de type de parafoudre .56
Tableau 4 – Valeurs de crête des courants pour l'essai de vérification
de la tension résiduelle .66
Tableau 5 – Paramètres pour l'essai de décharge de ligne
sur les parafoudres 20 000 A et 10 000 A .68
Tableau 6 – Prescriptions pour l'essai aux chocs de courant de longue durée
sur les parafoudres 5 000 A et 2 500 A .70
Tableau 7 – Détermination des tensions assignée et de service permanent majorées.76
Tableau 8 – Prescriptions pour les chocs de courant de grande amplitude.86
Tableau 14 – Exigences d’essai.108
Tableau 15 – Courants exigés pour les essais de court-circuit .110

60099-4  IEC:2004+A1:2006 – 9 –

Figure 12 – Power losses of arrester at elevated temperatures versus time .207

Figure 13 – Examples of arrester units.113

Figure 14 – Short-circuit test setup .115

Figure 15 – Example of a test circuit for re-applying pre-failing circuit immediately

before applying the short-circuit test current .117

Figure C.1 – Operating duty test on 20 000 A high lightning duty arresters .227

Figure C.2 – Thermal stability test on 20 000 A high lightning duty arresters (see 9.2.2).227

Figure D.1 – Test on 10 000 A line discharge class 1, 5 000 A, 2 500 A

and 1 500 A arresters .229

Figure D.2 – Test on 20 000 A high lightning duty arresters .231
Figure D.3 – Test on 10 000 A arresters, line discharge Classes 2 and 3
and 20 000 A arresters, line discharge Classes 4 and 5.231
Figure E.1 – Specific energy in kJ per kV rating dependant on the ratio of switching
impulse residual voltage (U ) to the r.m.s. value of the rated voltage U of the arrester.235
a r
Figure F.1 – Flow-chart showing the procedure for determining the preheating
of a test sample .243
Figure H.1 – Typical test circuit diagram for high current impulse operating duty test.273
Figure I.1 – Typical distributed constant impulse generator
for the long-duration impulse test.277
Figure L.1 – Typical three-phase arrester installation.295
Figure L.2 – Simplified multi-stage equivalent circuit of an arrester.295
Figure L.3 – Geometry of arrester model.297
Figure L.4 – Example of voltage-current characteristic of metal-oxide resistors
at +20 °C in the leakage current region.299
Figure L.5 – Calculated voltage stress along the resistor column in case B.299
Fi
...

IEC 60099-4 ®
Edition 2.2 2009-05
INTERNATIONAL
STANDARD
NORME
INTERNATIONALE
Surge arresters –
Part 4: Metal-oxide surge arresters without gaps for a.c. systems

Parafoudres –
Partie 4: Parafoudres à oxyde métallique sans éclateurs pour réseaux à courant
alternatif
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Surge arresters –
Part 4: Metal-oxide surge arresters without gaps for a.c. systems

Parafoudres –
Partie 4: Parafoudres à oxyde métallique sans éclateurs pour réseaux à courant
alternatif
INTERNATIONAL
ELECTROTECHNICAL
COMMISSION
COMMISSION
ELECTROTECHNIQUE
PRICE CODE
INTERNATIONALE
CU
CODE PRIX
ICS 29.240.10; 29.120.50 ISBN 978-2-88910-057-6
– 2 – 60099-4 © IEC:2004+A1:2006+A2:2009

CONTENTS
FOREWORD.7

INTRODUCTION.9

1 Scope.10

2 Normative references .10

3 Terms and definitions .11

4 Identification and classification .19

4.1 Arrester identification .19

4.2 Arrester classification .19

5 Standard ratings and service conditions .19
5.1 Standard rated voltages .19
5.2 Standard rated frequencies .20
5.3 Standard nominal discharge currents .20
5.4 Service conditions .20
6 Requirements .21
6.1 Insulation withstand of the arrester housing.21
6.2 Reference voltage .21
6.3 Residual voltages.21
6.4 Internal partial discharges .21
6.5 Seal leak rate .21
6.6 Current distribution in a multi-column arrester .22
6.7 Thermal stability.22
6.8 Long-duration current impulse withstand .22
6.9 Operating duty.22
6.10 Power-frequency voltage versus time characteristics of an arrester.25
6.11 Short-circuit.25
6.12 Disconnector .25
6.13 Requirements for auxiliary equipment such as grading components .25
6.14 Mechanical loads.25
6.15 Electromagnetic compatibility .26
6.16 End of life.26
6.17 Lightning impulse discharge capability .26
7 General testing procedure .26
7.1 Measuring equipment and accuracy .26

7.2 Reference voltage measurements .27
7.3 Test samples.27
8 Type tests (design tests) .27
8.1 General .27
8.2 Insulation withstand tests on the arrester housing .29
8.3 Residual voltage tests .30
8.4 Long-duration current impulse withstand test.33
8.5 Operating duty tests .34
8.6 Tests of arrester disconnectors/fault indicators.44
8.7 Short-circuit tests .46
8.8 Internal partial discharge tests .56

60099-4 © IEC:2004+A1:2006+A2:2009 – 3 –

8.9 Test of the bending moment .56

8.10 Environmental tests.56

8.11 Seal leak rate test .59

8.12 Radio interference voltage (RIV) test.59

9 Routine tests and acceptance tests .60

9.1 Routine tests .60

9.2 Acceptance tests.61

10 Test requirements on polymer-housed surge arresters .63

10.1 Scope.63

10.2 Normative references .63
10.3 Terms and definitions .63
10.4 Identification and classification.63
10.5 Standard ratings and service conditions .63
10.6 Requirements.63
10.7 General testing procedure .63
10.8 Type tests (design tests) .63
11 Test requirements on gas-insulated metal enclosed arresters (GIS-arresters) .80
11.1 Scope.80
11.2 Normative references .80
11.3 Terms and definitions .80
11.4 Identification and classification.80
11.5 Standard ratings and service conditions .80
11.6 Requirements.81
11.7 General testing procedures .82
11.8 Type tests (design tests) .82
11.9 Routine tests .87
11.10 Test after erection on site.87
12 Separable and dead-front arresters .90
12.1 Scope.90
12.2 Normative references .90
12.3 Terms and definitions .90
12.4 Identification and classification.90
12.5 Standard ratings and service conditions .90
12.6 Requirements.90
12.7 General testing procedure .91
12.8 Type tests (design tests) .91
12.9 Routine tests and acceptance tests .97
13 Liquid-immersed arresters .97
13.1 Scope.97
13.2 Normative references .97
13.3 Terms and definitions .97
13.4 Identification and classification.97
13.5 Standard ratings and service conditions .97
13.6 Requirements.98
13.7 General testing procedure .98
13.8 Type tests (design tests) .98
13.9 Routine tests and acceptance tests .105

– 4 – 60099-4 © IEC:2004+A1:2006+A2:2009

Annex A (normative) Abnormal service conditions .106

Annex B (normative) Test to verify thermal equivalency between complete arrester

and arrester section .107

Annex C (normative) Requirements for high lightning duty arresters

for voltage range 1 kV to 52 kV.108

Annex D (normative) Procedure to verify the power-frequency voltage-versus-time

characteristics of an arrester.111

Annex E (informative) Guide to selection of line discharge class.113

Annex F (normative) Artificial pollution test with respect to the thermal stress

on porcelain-housed multi-unit metal-oxide surge arresters. 115

Annex G (informative) Typical information given with enquiries and tenders .130
Annex H (informative) Typical circuit for high current impulse operating duty test
(see 8.5.4) .132
Annex I (informative) Typical circuit for a distributed constant impulse generator
for the long duration current impulse withstand test (see 8.4) . 134
Annex J (informative) Typical maximum residual voltages . 135
Annex K (informative) Ageing test procedure – Arrhenius law –
Problems with higher temperatures.136
Annex L (informative) Guide for the determination of the voltage distribution
along metal-oxide surge arresters. 138
Annex M (normative) Mechanical considerations .146
Annex N (normative) Test procedure to determine the lightning impulse
discharge capability .151

Bibliography.154

Figure 1 – Operating duty test on 10 000 A line discharge Class 1, 5 000 A, 2 500 A
and 1 500 A arresters (see 8.5.4).23
Figure 2 – Operating duty test on 10 000 A arresters line discharge Classes 2 and 3
and 20 000 A arresters line discharge Classes 4 and 5 (see 8.5.5) .24
Figure 3 – Power losses of the arrester at elevated temperatures versus time .37
Figure 4 – Thermal stability test on 10 000 A line discharge Class 1, 5 000 A, 2 500 A
and 1 500 A arresters .62
Figure 5 – Thermal stability test on 10 000 A arresters line discharge Classes 2 and 3
and 20 000 A arresters line discharge Classes 4 and 5.62

Figure 6 – Thermomechanical test .74
Figure 7 – Example of the test arrangement for the thermomechanical test

and direction of the cantilever load .75
Figure 8 – Water immersion .76
Figure 9 – Example of an accelerated weather ageing cycle under operating voltage
(according to IEC 61109) .79
Figure 10 – Another example of an accelerated weather ageing cycle.80
Figure 11 – Test set-up for insulation withstand test ofseparable arresters
in insulating housings .92

60099-4 © IEC:2004+A1:2006+A2:2009 – 5 –

Figure 12 – Power losses of arrester at elevated temperatures versus time . 101

Figure 13 – Examples of arrester units.54

Figure 14 – Short-circuit test setup .55

Figure 15 – Example of a test circuit for re-applying pre-failing circuit immediately

before applying the short-circuit test current .56

Figure C.1 – Operating duty test on 20 000 A high lightning duty arresters . 110

Figure C.2 – Thermal stability test on 20 000 A high lightning duty arresters (see 9.2.2). 110

Figure D.1 – Test on 10 000 A line discharge class 1, 5 000 A, 2 500 A

and 1 500 A arresters .111

Figure D.2 – Test on 20 000 A high lightning duty arresters .112
Figure D.3 – Test on 10 000 A arresters, line discharge Classes 2 and 3
and 20 000 A arresters, line discharge Classes 4 and 5. 112
Figure E.1 – Specific energy in kJ per kV rating dependant on the ratio of switching
impulse residual voltage (U ) to the r.m.s. value of the rated voltage U of the arrester.114
a r
Figure F.1 – Flow-chart showing the procedure for determining the preheating
of a test sample .118
Figure H.1 – Typical test circuit diagram for high current impulse operating duty test.132
Figure I.1 – Typical distributed constant impulse generator
for the long-duration impulse test.134
Figure L.1 – Typical three-phase arrester installation. 143
Figure L.2 – Simplified multi-stage equivalent circuit of an arrester. 143
Figure L.3 – Geometry of arrester model.144
Figure L.4 – Example of voltage-current characteristic of metal-oxide resistors
at +20 °C in the leakage current region.145
Figure L.5 – Calculated voltage stress along the resistor column in case B. 145
Figure M.1 – Bending moment – multi-unit surge arrester .146
Figure M.2 – Surge arrester unit .148
Figure M.3 – Surge-arrester dimensions .149

Table 1 – Arrester classification.19
Table 2 – Steps of rated voltages.20
a
Table 3 – Arrester type tests .28
Table 4 – Peak currents for switching impulse residual voltage test .32

Table 5 – Parameters for the line discharge test on 20 000 A and 10 000 A arresters .33
Table 6 – Requirements for the long-duration current impulse test on 5 000 A
and 2 500 A arresters .34
Table 7 – Determination of elevated rated and continuous operating voltages .37
Table 8 – Requirements for high current impulses .41
Table 14 – Test requirements .52
Table 15 – Required currents for short-circuit tests.53

– 6 – 60099-4 © IEC:2004+A1:2006+A2:2009

Table 8 – Requirements for high current impulses .66

Table 9 – 10 000 A and 20 000 A three–phase GIS–arresters –

Required withstand voltages .88

Table 10 – 1 500 A, 2 500 A and 5 000 A three – phase – GIS arresters –

Required withstand voltages .89

Table 11 – Insulation withstand test voltages for unscreened separable arresters.92

Table 12 – Insulation withstand test voltages for dead-front arresters

or separable arresters in a screened housing.92

Table 8 – Requirements for high current impulses .94

Table 13 – Partial discharge test values for separable and dead-front arresters.97
Table 7 – Determination of elevated rated and continuous operating voltages .101
Table 8 – Requirements for high current impulses . 102
a
Table C.1 – Test requirements on 20 000 A high lightning duty arresters .109
Table F.1 – Mean external charge for different pollution severities. 119
Table F.2 – Characteristic of the sample used for the pollution test. 120
Table F.3 – Requirements for the device used for the measurement of the charge.121
Table F.4 – Requirements for the device used for the measurement of the temperature. 122
Table F.5 – Calculated values of ΔT for the selected example . 128
z max
Table F.6 – Results of the salt fog test for the selected example. 128
Table F.7 – Calculated values of ΔT and of T after 5 cycles
z OD
for the selected example.129
Table F.8 – Calculated values of ΔT and of T
after 10 cycles
z OD
for the selected example.129
Table J.1 – Residual voltages for 20 000 A and 10 000 A arresters in per unit
of rated voltage.135
Table J.2 – Residual voltages for 5 000 A, 2 500 A and 1 500 A arresters in per unit
of rated voltage.135
Table K.1 – Minimum demonstrated lifetime prediction .136
Table K.2 – Relationship between test durations at 115 °C and equivalent time
at upper limit of ambient temperature.137
Table L.1 – Results from example calculations .142

60099-4 © IEC:2004+A1:2006+A2:2009 – 7 –

INTERNATIONAL ELECTROTECHNICAL COMMISSION

––––––––––––
SURGE ARRESTERS –
Part 4: Metal-oxide surge arresters without gaps

for a.c. systems
FOREWORD
1) The International Electrotechnical Commission (IEC) is a worldwide organization for standardization comprising
all national electrotechnical committees (IEC National Committees). The object of IEC is to promote
international co-operation on all questions concerning standardization in the electrical and electronic fields. To
this end and in addition to other activities, IEC publishes International Standards, Technical Specifications,
Technical Reports, Publicly Available Specifications (PAS) and Guides (hereafter referred to as “IEC
Publication(s)”). Their preparation is entrusted to technical committees; any IEC National Committee interested
in the subject dealt with may participate in this preparatory work. International, governmental and non-
governmental organizations liaising with the IEC also participate in this preparation. IEC collaborates closely
with the International Organization for Standardization (ISO) in accordance with conditions determined by
agreement between the two organizations.
2) The formal decisions or agreements of IEC on technical matters express, as nearly as possible, an international
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3) IEC Publications have the form of recommendations for international use and are accepted by IEC National
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Publications is accurate, IEC cannot be held responsible for the way in which they are used or for any
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4) In order to promote international uniformity, IEC National Committees undertake to apply IEC Publications
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5) IEC provides no marking procedure to indicate its approval and cannot be rendered responsible for any
equipment declared to be in conformity with an IEC Publication.
6) All users should ensure that they have the latest edition of this publication.
7) No liability shall attach to IEC or its directors, employees, servants or agents including individual experts and
members of its technical committees and IEC National Committees for any personal injury, property damage or
other damage of any nature whatsoever, whether direct or indirect, or for costs (including legal fees) and
expenses arising out of the publication, use of, or reliance upon, this IEC Publication or any other IEC
Publications.
8) Attention is drawn to the Normative references cited in this publication. Use of the referenced publications is
indispensable for the correct application of this publication.
9) Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this IEC Publication may be the subject of
patent rights. IEC shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights.

International Standard 60099-4 has been prepared by IEC technical committee 37: Surge
arresters.
This edition includes the following significant technical changes with respect to the previous
edition.
• Clauses 1, 2 and 3 contain common subclauses that cover all arrester types. Clauses 4 to
9 contain subclauses that apply to porcelain-housed arresters. To a great extent, the
content of Clauses 4 to 9 also applies to arrester types other than porcelain- housed. Any
exceptions that apply to polymer-housed, GIS, separable and dead-front, and liquid-
immersed arresters are included in Clauses 10 to 13 as entire subclauses, not as parts of
subclauses. That is, if any subclause of Clauses 4 to 9 does not apply in its entirety to a
particular type of arrester, then a replacement subclause is given in its entirety in the
appropriate Clauses 10, 11, 12, or 13. This avoids the necessity for the user of the
document to judgewhich part of a clause has been amended.

– 8 – 60099-4 © IEC:2004+A1:2006+A2:2009

• Table 1 has been modified. The previous Table 1 included references to subclauses for

type testing. Such references are really not appropriate in Clause 4 and have been

transferred to a new table in Clause 8.

• Clauses 6, 8, 11, 12 and 13: modifications have been made to short-circuit requirements.

• Requirements of Clause 13 (mechanical considerations) have been incorporated into

Clauses 5, 6, 8, 10, 11, 12 and 13, and Annex A of this new edition.

This consolidated version of IEC 60099-4 consists of the second edition (2004) [documents

37/298/FDIS and 37/300/RVD] and its amendment 1 (2006) [documents 37/324/FDIS and

37/325/RVD] and its amendment 2 (2009) [documents 37/354/FDIS and 37/357/RVD].

The technical content is therefore identical to the base edition and its amendments and has
been prepared for user convenience.
It bears the edition number 2.2.
A vertical line in the margin shows where the base publication has been modified by
amendments 1 and 2.
This publication has been drafted in accordance with the ISO/IEC Directives, Part 2.
The committee has decided that the contents of the base publication and its amendments will
remain unchanged until the maintenance result date indicated on the IEC web site under
"http://webstore.iec.ch" in the data related to the specific publication. At this date,
the publication will be
• reconfirmed,
• withdrawn,
• replaced by a revised edition, or
• amended.
60099-4 © IEC:2004+A1:2006+A2:2009 – 9 –

INTRODUCTION
This part of IEC 60099 presents the minimum criteria for the requirements and testing of

gapless metal-oxide surge arresters that are applied to a.c. power systems.

Arresters covered by this standard are commonly applied to live/front overhead installations in

place of the non-linear resistor-type gapped arresters covered in IEC 60099-1.

– 10 – 60099-4 © IEC:2004+A1:2006+A2:2009

SURGE ARRESTERS –
Part 4: Metal-oxide surge arresters without gaps

for a.c. systems
1 Scope
This part of IEC 60099 applies to non-linear metal-oxide resistor type surge arresters without
spark gaps designed to limit voltage surges on a.c. power circuits.
2 Normative references
The following referenced documents are indispensable for the application of this document.
For dated references, only the edition cited applies. For undated references, the latest edition
of the referenced document (including any amendments) applies.
IEC 60060-1:1989, High-voltage test techniques – Part 1: General definitions and test
requirements
IEC 60060-2:1994, High-voltage test techniques – Part 2: Measuring systems
IEC 60068-2-11:1981, Environmental testing – Part 2: Tests – Test Ka: Salt mist
IEC 60068-2-14:1984, Environmental testing – Part 2: Tests – Test N: Change of temperature
IEC 60068-2-42:2003, Environmental testing – Part 2-42: Tests – Test Kc: Sulphur dioxide
test for contacts and connections
IEC 60071-1:1993, Insulation co-ordination – Part 1: Definitions, principles and rules
IEC 60071-2:1996, Insulation co-ordination – Part 2: Application guide
IEC 60270:2000, High-voltage test techniques – Partial discharge measurements
IEC 60507:1991, Artificial pollution tests on high-voltage insulators to be used on a.c.
systems
IEC 60815:1986, Guide for the selection of insulators in respect of polluted conditions
IEC 61109:1992, Composite insulators for a.c. overhead lines with a nominal voltage greater
than 1 000 V – Definitions, test methods and acceptance criteria
IEC 61166:1993, High-voltage alternating current circuit-breakers – Guide for seismic
qualification of high-voltage alternating current circuit-breakers
IEC 61330:1995, High-voltage/low-voltage prefabricated substations
IEC 62271-200:2003, High-voltage switchgear and controlgear – Part 200: A.C. metal-
enclosed switchgear and controlgear for rated voltages above 1 kV and up to and including
52 kV
60099-4 © IEC:2004+A1:2006+A2:2009 – 11 –

IEC 62271-203:2003, High-voltage switchgear and controlgear – Part 203: Gas-insulated
metal-enclosed switchgear for rated voltages above 52 kV

CISPR 16-1:1999, Specification for radio disturbance and immunity measuring apparatus and
methods – Part 1: Radio disturbance and immunity measuring apparatus

CISPR 18-2:1986, Radio interference characteristics of overhead power lines and high-
voltage equipment − Part 2: Methods of measurement and procedure for determining limits

3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the following definitions apply.
3.1
metal-oxide surge arrester without gaps
arrester having non-linear metal-oxide resistors connected in series and/or in parallel without
any integrated series or parallel spark gaps
3.2
non-linear metal-oxide resistor
part of the surge arrester which, by its non-linear voltage versus current characteristics, acts
as a low resistance to overvoltages, thus limiting the voltage across the arrester terminals,
and as a high resistance at normal power-frequency voltage
3.3
internal grading system of an arrester
grading impedances, in particular grading capacitors connected in parallel to one single or to
a group of non-linear metal-oxide resistors, to control the voltage distribution along the metal-
oxide resistor stack
3.4
grading ring of an arrester
metal part, usually circular in shape, mounted to modify electrostatically the voltage
distribution along the arrester
3.5
section of an arrester
complete, suitably assembled part of an arrester necessary to represent the behaviour of a
complete arrester with respect to a particular test
NOTE A section of an arrester is not necessarily a unit of an arrester.

3.6
unit of an arrester
completely housed part of an arrester which may be connected in series and/or in parallel with
other units to construct an arrester of higher voltage and/or current rating
NOTE A unit of an arrester is not necessarily a section of an arrester.
3.7
pressure-relief device of an arrester
means for relieving internal pressure in an arrester and preventing violent shattering of the
housing following prolonged passage of fault current or internal flashover of the arrester

– 12 – 60099-4 © IEC:2004+A1:2006+A2:2009

3.8
rated voltage of an arrester
U
r
maximum permissible r.m.s. value of power-frequency voltage between its terminals at which

it is designed to operate correctly under temporary overvoltage conditions as established in

the operating duty tests (see 8.5)

NOTE 1 The rated voltage is used as a reference parameter for the specification of operating characteristics.

NOTE 2 The rated voltage as defined in this standard is the 10 s power-frequency voltage used in the operating

duty test after high-current or long-duration impulses. Tests used to establish the voltage rating in IEC 60099-1, as

well as some national standards, involve the application of repetitive impulses at nominal current with power-
frequency voltage applied. Attention is drawn to the fact that these two methods used to established rating do not
necessarily produce equivalent values (a resolution to this discrepancy is under consideration).

3.9
continuous operating voltage of an arrester
U
c
designated permissible r.m.s. value of power-frequency voltage that may be applied
continuously between the arrester terminals in accordance with 8.5
3.10
rated frequency of an arrester
frequency of the power system on which the arrester is designed to be used
3.11
disruptive discharge
phenomenon associated with the failure of insulation under electric stress, which include a
collapse of voltage and the passage of current
NOTE 1 The term applies to electrical breakdowns in solid, liquid and gaseous dielectric, and combinations of
these.
NOTE 2 A disruptive discharge in a solid dielectric produces permanent loss of electric strength. In a liquid or
gaseous dielectric the loss may be only temporary.
3.12
puncture
breakdown
disruptive discharge through a solid
3.13
flashover
disruptive discharge over a solid surface
3.14
impulse
unidirectional wave of voltage or current which, without appreciable oscillations, rises rapidly
to a maximum value and falls, usually less rapidly, to zero with small, if any, excursions of
opposite polarity
NOTE The parameters which define a voltage or current impulse are polarity, peak value, front time and time to
half-value on the tail.
3.15
designation of an impulse shape
combination of two numbers, the first representing the virtual front time (T ) and the second
the virtual time to half-value on the tail (T )
NOTE It is written as T /T , both in microseconds, the sign "/ " having no mathematical meaning.
1 2
60099-4 © IEC:2004+A1:2006+A2:2009 – 13 –

3.16
steep current impulse
current impulse with a virtual front time of 1 μs with limits in the adjustment of equipment such

that the measured values are from 0,9 μs to 1,1 μs and the virtual time to half-value on the tail

is not longer than 20 μs
NOTE The time to half-value on the tail is not critical and may have any tolerance during the residual voltage type
tests (see 8.3).
3.17
lightning current impulse
8/20 current impulse with limits on the adjustment of equipment such that the measured

values are from 7 μs to 9 μs for the virtual front time and from 18 μs to 22 μs for the time to
half-value on the tail
NOTE The time to half-value on the tail is not critical and may have any tolerance during the residual voltage type
tests (see 8.3).
3.18
long-duration current impulse
rectangular impulse which rises rapidly to maximum value, remains substantially constant for
a specified period and then falls rapidly to zero
NOTE The parameters which define a rectangular impulse are polarity, peak value, virtual duration of the peak
and virtual total duration.
3.19
peak (crest) value of an impulse
maximum value of a voltage or current impulse
NOTE Superimposed oscillations may be disregarded (see 8.4.2c and 8.5.4.2e).
3.20
front of an impulse
part of an impulse which occurs prior to the peak
3.21
tail of an impulse
part of an impulse which occurs after the peak
3.22
virtual origin of an impulse
point on a graph of voltage versus time or current versus time determined by the intersection
between the time axis at zero voltage or zero current and the straight line drawn through two
reference points on the front of the impulse

NOTE 1 For current impulses the reference points shall be 10 % and 90 % of the peak value.
NOTE 2 This definition applies only when scales of both ordinate and abscissa are linear.
NOTE 3 If oscillations are present on the front, the reference points at 10 % and 90 % should be taken on the
mean curve drawn through the oscillations.
3.23
virtual front time of a current impulse
T
time in microseconds equal to 1,25 multiplied by the time in microseconds for the current to
...