IEC 60099-4:1991/AMD1:1998

NORME CEI
INTERNATIONALE
IEC
60099-4
INTERNATIONAL
STANDARD
AMENDEMENT 1
AMENDMENT 1
1998-04
Amendement 1
Parafoudres –
Partie 4:
Parafoudres à oxyde métallique sans éclateur
pour réseaux à courant alternatif
Amendment 1
Surge arresters –
Part 4:
Metal-oxide surge arresters without gaps
for a.c. systems
 IEC 1998 Droits de reproduction réservés  Copyright - all rights reserved
International Electrotechnical Commission 3, rue de Varembé Geneva, Switzerland
Telefax: +41 22 919 0300 e-mail: inmail@iec.ch IEC web site http: //www.iec.ch
CODE PRIX
Commission Electrotechnique Internationale
Q
PRICE CODE
International Electrotechnical Commission
Pour prix, voir catalogue en vigueur
For price, see current catalogue

– 2 – 60099-4 amend. 1 © CEI:1998

AVANT-PROPOS
Le présent amendement a été établi par le comité d'études 37 de la CEI: Parafoudres.

Le texte de cet amendement est issu des documents suivants:

FDIS Rapport de vote
37/192/FDIS 37/198/RVD
Le rapport de vote indiqué dans le tableau ci-dessus donne toute information sur le vote ayant

abouti à l'approbation de cet amendement.
___________
Page 6
SOMMAIRE
Remplacer le titre existant de l'annexe F par le nouveau titre suivant:
Essai de pollution artificielle relatif à la contrainte thermique des parafoudres à oxyde
métallique à enveloppe en porcelaine comportant plusieurs éléments
Page 12
1.2 Références normatives
Insérer, dans la liste existante, le titre de la norme suivante:
CEI 60507:1991, Essais sous pollution artificielle des isolateurs pour haute tension destinés
aux réseaux à courant alternatif
Page 42
7.1 Généralités
Remplacer le point 7) existant par le nouveau point suivant:
7) Essai de pollution artificielle pour les parafoudres à enveloppe porcelaine et à plusieurs
éléments (voir annexe F)
Cet essai est effectué pour évaluer l’augmentation de température des parties internes due
à une distribution non linéaire et transitoire de potentiel à cause d’une couche de pollution à
la surface de l’enveloppe du parafoudre.
Un calcul préliminaire de l’augmentation maximale théorique de température doit être
effectué selon l'article F.5. Si le résultat du calcul est inférieur à 40 K, aucun essai n’est
nécessaire. Si le résultat du calcul est supérieur ou égal à 40 K, un essai selon l’annexe F
doit être effectué, mais il peut néanmoins être omis après accord entre l’utilisateur et le
constructeur (par exemple sur la base d’un retour d’expérience dans des environnements
spécifiques).
60099-4 Amend.1 © IEC:1998 – 3 –

FOREWORD
This amendment has been prepared by IEC technical committee 37: Surge arresters.

The text of this amendment is based on the following documents:

FDIS Report on voting
37/192/FDIS 37/198/RVD
Full information on the voting for the approval of this amendment can be found in the report on

voting indicated in the above table.
___________
Page 7
CONTENTS
Replace the existing title of annex F by the following new title:
Artificial pollution test with respect to the thermal stress on porcelain-housed multi-unit metal-
oxide surge arresters
Page 13
1.2 Normative references
Insert, in the existing list, the title of the following standard:
IEC 60507:1991, Artificial pollution tests on high-voltage insulators to be used in a.c. systems
Page 43
7.1 General
Replace the existing item 7) by the following new item:
7) Artificial pollution test for porcelain-housed multi-unit surge arresters (see annex F)
This test is made to evaluate the temperature rise of the internal parts due to a non-linear
and transient voltage grading caused by the pollution layer on the surface of the arrester
housing.
A preliminary calculation of the maximum theoretical temperature rise shall be performed
according to clause F.5. If the result of the calculation is less than 40 K, no test is required.
If the result of the calculation is 40 K or higher, a test according to annex F shall be
performed unless, by agreement between user and manufacturer (for example, based on
service experience in specified environments), the test can be omitted.

– 4 – 60099-4 amend. 1 © CEI:1998

Page 104
Annexe F
Remplacer le titre et le texte existants de l'annexe F par ce qui suit:

Annexe F
(normative)
Essai de pollution artificielle relatif à la contrainte thermique
des parafoudres à oxyde métallique à enveloppe en porcelaine
comportant plusieurs éléments
F.1 Glossaire
F.1.1 Paramètres mesurés
q [C/hm] Charge externe moyenne s’écoulant à la surface des isolateurs et des
z
enveloppes de parafoudres pendant des épisodes de pollution en service,
correspondant à un épisode de pollution de durée déterminée t . Ce paramètre
z
est utilisé pour classer la sévérité de pollution d’un site.
t [h] Durée d’un épisode de pollution en service.
z
Q [C] Charge s’écoulant à la surface des éléments du parafoudre pendant l’essai de
e
pollution.
Q [C] Charge s’écoulant dans les parties internes des éléments du parafoudre
i
pendant l’essai de pollution.
ΔT [K] Augmentation de température de l’élément k.
k
β [K/C] Rapport entre l’augmentation de température des parties internes du parafoudre
et la charge interne mesurée conformément à l’essai préliminaire d’échauf-
fement.
τ [h] Constante de temps thermique équivalente du parafoudre déterminée pendant
l’essai préliminaire d’échauffement.
F.1.2 Paramètres calculés
D [m] Diamètre moyen de l’enveloppe du parafoudre: il est calculé selon la méthode
m
de la CEI 60815.
Q [C] Charge totale du parafoudre: c’est la somme de Q et Q , et elle est mesurée
tot i e
sur la connexion de terre du parafoudre.
ΔT [K] Augmentation théorique maximale de température en service calculée en
z max
fonction de β, q , t , D et τ.
z z
m
60099-4 Amend.1 © IEC:1998 – 5 –

Page 105
Annex F
Replace the existing title and text of annex F by the following:

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

stress on porcelain-housed multi-unit metal-oxide surge arresters
F.1 Glossary
F.1.1 Measured quantities
q [C/hm] Mean external charge flowing on the surface of insulators and surge arrester
z
housings during pollution events in service, relevant to a pollution event lasting
a time t . This parameter is used for the classification of the pollution severity
z
of a site.
t [h] Duration of a pollution event in service.
z
Q [C] Charge flowing on the surface of the units of the surge arrester during the
e
pollution test.
Q [C] Charge flowing in the internal parts of the units of the surge arrester during the
i
pollution test.
ΔT [K] Temperature rise relevant to unit k.
k
β [K/C] Ratio between the temperature rise of the internal parts of the arrester and the
relevant charge flowing internally as determined in the preliminary heating test.
τ [h] Equivalent thermal time constant of the arrester as determined in the
preliminary heating test.
F.1.2 Calculated quantities
D [m] Average diameter of the surge arrester housing: it is calculated according to the
m
method reported in IEC 60815.
Q [C] Total charge relevant to the surge arrester: it is the sum of Q and Q and it is
tot i e
measured at the earth terminal of the surge arrester.
ΔT [K] Maximum theoretical temperature rise in service calculated as a function of β,
z max
q , t , D and τ.
z z m
– 6 – 60099-4 amend. 1 © CEI:1998

WU Déséquilibre pondéré du parafoudre calculé en fonction des caractéristiques
électriques et géométriques de chaque élément du parafoudre. Ce paramètre

est utilisé pour sélectionner la configuration la plus critique qui doit être soumise

à l’essai de pollution.
K Rapport entre la charge externe maximale et la charge interne maximale
ie
s’écoulant dans les éléments du parafoudre pendant l’essai de pollution.

ΔT [K] Augmentation prévue de température en service calculée en fonction de β, q ,
z z
τ
t , D , K et .
z m ie
T [°C] Température initiale utilisée pour l’essai de fonctionnement.
OD
F.2 Généralités
Il convient que la pollution de l’isolation externe d’un parafoudre à oxyde métallique soit
considérée en examinant trois effets possibles:
a) le risque de contournement externe;
b) des décharges partielles à l’intérieur du parafoudre dues aux champs radiaux entre la
surface externe et les éléments actifs internes;
c) l’augmentation de la température des éléments actifs internes due à une répartition de
potentiel non linéaire et transitoire causée par une couche de pollution sur la surface de
l’enveloppe du parafoudre.
Cette procédure d’essai concerne uniquement le troisième effet possible.
Des essais en laboratoire et l’expérience en exploitation ont montré que l’échauffement des
éléments actifs internes des parafoudres soumis à de la pollution est liée à la charge
absorbée: ce paramètre est considéré comme essentiel pour l’évaluation de la performance
sous pollution des parafoudres.
Une classification de la sévérité de sites représentatifs a été établie en considérant la charge
moyenne externe s’écoulant à la surface de différents isolateurs et parafoudres.
Les procédures décrites dans cette annexe se réfèrent seulement à des parafoudres à
enveloppe porcelaine; il se peut que les procédures applicables aux parafoudres à enveloppe
synthétique requièrent plus d’investigations, elles sont actuellement à l’étude.
Cette annexe décrit la procédure pour déterminer le préchauffage à appliquer à l’échantillon en

essai avant l’essai de fonctionnement, de façon à prendre en compte l’effet de l’échauffement
dû à la pollution; cette procédure est synthétisée dans l’organigramme de la figure F.1. En
particulier:
– la sévérité de la pollution de différents sites représentatifs est exprimée par q . Les
z
données correspondantes sont reportées dans le tableau F.1;
– les caractéristiques thermiques du parafoudre sont déterminées selon une procédure
dérivée de l’annexe B. Cette procédure permet la détermination de la constante de
temps thermique équivalente τ et le calcul du paramètre β grâce au critère décrit dans
la section 4;
– la connaissance des caractéristiques thermiques du parafoudre et de la sévérité attendue
de la pollution du site dans lequel le parafoudre va être installé permet un calcul
préliminaire de l’augmentation maximale de température pour les conditions les plus
modérées selon lesquelles toute la charge due à l’événement de pollution s’écoulerait par
l’intérieur du parafoudre;
60099-4 Amend.1 © IEC:1998 – 7 –

WU Weighted unbalance of the arrester calculated as a function of the electrical and

geometrical characteristic of each unit of the surge arrester. This parameter is

used to select the most critical design to be submitted to the pollution test.

K Ratio between the maximum external charge and the maximum internal charge
ie
flowing in the surge arrester units during the pollution test.

ΔT [K] Expected temperature rise in service calculated as a function of β, q , t , D ,
z z z m
K and τ.
ie
T [°C] Starting temperature to be used for the operating duty test.
OD
F.2 General
Pollution on external insulation of a metal-oxide surge arrester should be considered regarding
three possible effects:
a) risk of external flashover;
b) partial discharges inside the surge arrester due to radial fields between the external surface
and the internal active elements;
c) temperature rise of the internal active elements due to a non-linear and transient voltage
grading caused by the pollution layer on the surface of the arrester housing.
This test procedure considers only the third possible effect.
Laboratory tests and service experience have shown that the heating of the internal active
parts of the surge arrester under pollution conditions is related to the charge absorbed: this
parameter is therefore considered essential in the evaluation of the pollution performance of
surge arresters.
A classification of the pollution severity of representative sites has been set up considering the
mean external charge flowing on the surface of different insulators and surge arresters.
The procedures described in this annex refer only to surge arresters with a porcelain housing;
the procedures for polymeric type surge arresters may require further investigation and are
presently under consideration.
This annex describes the procedure for the determination of the preheating to be applied to the
test sample before the operating duty test, in order to take into account the heating effect of
the pollution; this procedure is synthesized in the flow-chart of figure F.1. In particular:

– the pollution severity of different representative sites is expressed in terms of q . Relevant
z
data are given in table F.1;
– the thermal characteristics of the surge arrester are determined according to a procedure
derived from that of annex B. This procedure allows the determination of the equivalent
thermal time constant τ and the calculation of the parameter β by means of the criteria
described in section 4;
– the knowledge of the thermal characteristics of the surge arrester and of the expected
pollution severity of the site in which the surge arrester is going to be installed allows a
preliminary calculation of the maximum temperature rise in the most conservative
conditions in which all the charge relevant to the pollution event would flow internally into
the surge arrester;
– 8 – 60099-4 amend. 1 © CEI:1998

– si le calcul de l’augmentation maximale de température ΔT conduit à des valeurs
z max
inférieures à 40 K, les essais de pollution ne sont pas nécessaires et la température initiale

de l’essai de fonctionnement combiné doit être 60 °C. Si le calcul de l’augmentation

maximale de température ΔT conduit à des valeurs supérieures ou égales à 40 K, un
z max
essai selon la procédure décrite dans cette annexe doit être effectué, mais il peut

néanmoins être omis après accord entre l’utilisateur et le constructeur (par exemple, sur la

base d’un retour d’expérience dans des environnements spécifiques). De plus, selon la

décision du constructeur, même si le calcul de ΔT conduit à des valeurs supérieures à
z max
40 K, l’essai de pollution peut être évité en utilisant une température initiale pour l’essai de
fonctionnement combiné égale à (20 + ΔT ) °C;
z max
– les essais de pollution en laboratoire, quand ils sont jugés nécessaires, sont effectués sur

un parafoudre représentatif d’un certain type et d’une certaine conception. Pendant l’essai
de pollution, les charges externe et interne Q et Q doivent être mesurées pour chaque
e i
élément de parafoudre. En alternative, la charge totale Q et l’augmentation de
tot
température ΔT des parties internes peuvent être mesurées. Une analyse statistique des
résultats d’essai est nécessaire pour prendre en compte le comportement stochastique de
l’échauffement du parafoudre dans des conditions de pollution. L’élaboration des résultats
d’essai, décrite en détail dans les articles suivants, donne le facteur K qui exprime la
ie
propension de la charge à s’écouler par l’intérieur et donc à échauffer les éléments actifs.
Ce facteur est une valeur caractéristique d’un type et d’une conception de parafoudre;
– l’augmentation attendue de température en service ΔT est calculée en fonction de q , K ,
z z ie
D , t , β et τ ;
z
m
– la température initiale T de l’essai de fonctionnement est calculée sur la base du critère
OD
suivant:
–si ΔT est supérieure à 40 K, T = 20 °C + ΔT ;
OD
z z
–si ΔT est inférieure ou égale à 40 K, T = 60 °C;
OD
z
– l’essai de fonctionnement est réalisé selon la procédure décrite en 7.5 avec une
température initiale égale à T .
OD
60099-4 Amend.1 © IEC:1998 – 9 –

– if the calculation of the maximum temperature rise ΔT results in values less than 40 K,
z max
the pollution tests are not required and the starting temperature of the operating duty test

shall be 60 °C. If the calculation of the maximum temperature rise ΔT results in values
z max
of 40 K or higher, a test according to the procedure described in this annex shall be carried

out unless, by agreement between user and manufacturer (for example, based on service

experience in specified environments), the pollution test can be omitted. Moreover, at the

decision of the manufacturer, even if the calculation of ΔT results in values higher than
z max
40 K, the pollution test may be avoided using as starting temperature for the operating duty

test the value (20 + ΔT ) °C;
z max
– laboratory pollution tests, when deemed necessary, are carried out on a surge arrester

representative of a certain type and design. During the pollution test, the external and

internal charges Q and Q shall be measured for each surge arrester unit. Alternatively, the
e i
total charge Q and the temperature rise ΔT of the internal parts may be measured. A
tot
statistical analysis of the test results is necessary to take into account the stochastic
behaviour of the surge arrester heating under pollution conditions. The elaboration of the
test results, described in detail in the following clauses, gives the factor K which
ie
expresses the tendency of the charge to flow internally and therefore to heat the active
parts. This factor is a characteristic value for a given surge arrester type and design;
– the expected temperature rise ΔT in service is calculated as a function of q , K D , t , β
z z ie, m z
and τ ;
– the starting temperature T of the operating duty test is calculated on the basis of the
OD
following criteria:
–if ΔT is greater than 40 K, T = 20 °C + ΔT ;
z OD z
–if ΔT is lower than or equal to 40 K, T = 60 °C;
z OD
– the operating duty test is performed according to the procedure described in 7.5 with a
starting temperature equal to T .
OD
– 10 – 60099-4 amend. 1 © CEI:1998

Début
Service Annexe B
Mesure de
la constante
Calcul de
q de temps
z
β = ΔT /Q
h h
thermique
équivalente τ
Calcul de ΔT
zmax
Oui
ΔT < 40 K
zmax
Oui
1)
Accord ?
Décision du
Non
constructeur : essais
de pollution ?
Oui
Accord sur Supposition
la valeur de que
Essai de pollution
ΔT ΔT = ΔT
z z zmax
Paramètres
mesurés
Q , ΔT
Q , Q tot
e i
Calcul de K
ie
ΔT = f(β, K , q ,τ, t , D )
z ie z z m
Oui Non
Préchauffage Préchauffage
ΔT > 40 K
z
à 60 °C
à 20 °C + ΔT
z
Essai de fonctionnement
combiné
Fin
IEC  494/98
1)
Accord entre le constructeur et l’utilisateur (par exemple, sur la base d'un retour d'expérience dans des
environnements spécifiques)
Figure F.1 – Organigramme démontrant la procédure permettant de déterminer
le préchauffage d'un échantillon en essai

60099-4 Amend.1 © IEC:1998 – 11 –

Start
Service Annex B
Measurement
Calculation of
of equivalent
q
z
thermal time
β = ΔT /Q
h h
constant τ
Calculation of ΔT
zmax
Yes
If ΔT < 40 K
zmax
Yes
1)
Agreement ?
Manufacturer’s
No
decision : carry out
pollution tests ?
Yes
Agree on value
Assume
of
ΔT = ΔT
z zmax
Pollution test
ΔT
z
Measured
parameters
Q , ΔT
Q , Q tot
e i
Calculation of K
ie
ΔT = f (β, K , q ,τ, t , D )
z ie z z m
Yes No
Preheat at
Preheat at
ΔT > 40 K
z
20 °C + ΔT
z at 60 °C
Operation duty
test
End
IEC  494/98
1)
Agreement between user and manufacturer (for example based on service experience in specified environment)
Figure F.1 – Flow-chart showing the procedure for determining the preheating of a test sample

– 12 – 60099-4 amend. 1 © CEI:1998

F.3 Classification de la sévérité du site

La classification de la sévérité d’un site est effectuée sur la base de la charge externe

moyenne prévue q , elle-même basée sur des mesures effectuées dans des sites repré-
z
sentatifs de différentes sévérités de pollution.

En considérant que la charge s’écoulant à la surface d’un isolateur est proportionnelle à son

diamètre, la valeur de q est normalisée à un diamètre équivalent de 1 m.
z
Les durées de l’épisode de pollution (t ) sont déterminées comme suit:
z
– épisode de pollution de durée moyenne de forte intensité: 2 h;
– épisode de pollution de longue durée: 6 h.
La valeur de q à considérer dans les calculs est celle qui correspond à la situation la plus
z
sévère (2 h ou 6 h), d’après l’équation (2), pour le niveau de pollution du site d’installation du
parafoudre.
Les valeurs de q pour les différentes zones de pollution sont reportées dans le tableau F.1:
z
Tableau F.1 – Charge moyenne externe pour différentes sévérités de la pollution
Niveau de pollution Ligne de fuite spécifique q : Charge moyenne externe
z
C/h.m
(zone*) minimale
mm/kV t = 2 h t = 6 h
z z
I - Faible 16 0,5 0,24
II - Moyen 20 3,3 2,4
III - Fort 25 24,0 14,0
IV - Très fort 31 55,0 36,0
* Les niveaux de pollution (zones) correspondent à la définition des niveaux de pollution donnés dans le tableau
1 de la CEI 60815.
NOTE – Les valeurs de q ont été obtenues en utilisant une valeur de seuil de 2 mA (voir F.6.3.1).
z
F.4 Essai préliminaire d'échauffement: mesure de la constante de temps
ττ ββ
thermique et calcul de
Une procédure semblable à celle décrite dans l’annexe B, s’appliquant au parafoudre complet,

doit être utilisée, mais avec les restrictions suivantes:
– le temps de chauffage t doit être inférieur à 10 min;
h
– la charge Q appliquée au parafoudre pendant l’échauffement doit être mesurée;
h
– τ est le temps déduit de la courbe de refroidissement du parafoudre entre les températures
de 60 °C et 22 + 0,63 T , où T est la température ambiante en degrés Celsius.
a a
60099-4 Amend.1 © IEC:1998 – 13 –

F.3 Classification of site severity

The classification of the pollution severity of a site is made on the basis of the expected mean

external charge q , based on measurements carried out in sites representative of different
z
pollution severities.
Considering that the charge flowing on the surface of an insulator is proportional to its

diameter, the value of q is normalized to an equivalent diameter of 1 m.
z
The duration of pollution phenomena (t ) are assumed as follows:
z
– pollution event of medium duration with high intensity: 2 h;
– pollution event of long duration: 6 h.
The value of q to be considered in the subsequent calculations is that one corresponding to
z
the most severe situation (2 h or 6 h), according to equation (2), for the pollution level relevant
to the site of installation of the surge arrester.
The values of q for the different pollution zones are given in table F.1:
z
Table F.1 – Mean external charge for different pollution severities
Pollution level Minimum specific q : mean external charge
z
(zone*) creepage distance C/h⋅m
mm/kV t = 2 h t = 6 h
z z
I - Light 16 0,5 0,24
II - Medium 20 3,3 2,4
III - Heavy 25 24,0 14,0
IV - Very heavy 31 55,0 36,0
* Pollution levels (zones) correspond to the definition of pollution levels given in table 1 of IEC 60815.
NOTE – The q values were obtained using a threshold value of 2 mA (see F.6.3.1).
z
ττ
F.4 Preliminary heating test: measurement of the thermal time constant
and calculation of ββ
A procedure similar to that specified in annex B, relevant to the complete arrester, shall be
used, but with the following exceptions:

– the heating time (t ) shall be shorter than 10 min;
h
– the charge Q applied to the surge arrester during the heating shall be measured;
h
– τ is the time derived from the cooling curve of the arrester between the temperatures of
60 °C and 22 + 0,63 T , where T is the ambient temperature in degrees Celsius.
a a
– 14 – 60099-4 amend. 1 © CEI:1998

Le paramètre β doit être calculé selon la formule suivante:

Δ
T
h
β= (1)
Q
h
où
ΔT est l’augmentation de température pendant l’essai d’échauffement;
h
Q est la charge appliquée pendant l’essai d’échauffement.
h
NOTE – Après l’essai d’échauffement, on doit vérifier que le temps de chauffage t est inférieur à 0,1 × τ, sinon
h
l’essai d’échauffement doit être répété avec un temps t plus court.
h
F.5 Vérification de la nécessité de réaliser les essais de pollution
De façon à vérifier le besoin réel de réaliser l’essai de pollution, un calcul préliminaire de
l’augmentation maximale théorique de température en service (ΔT ) doit être effectué. Ce
z max
calcul suppose que toute la charge attendue en service (q ) s’écoule à l’intérieur. C’est une
z
situation théorique extrême. Dans ce contexte, ΔT peut être calculée comme suit:
z max
 t 
 
z
−
 
UU−
 
 
rrmin
 τ 
 
ΔτTq=−βD 1e (2)
z max z m  
 
U
 
  r
 
où
U est la tension assignée du parafoudre;
r
U est la tension assignée minimale des éléments.
r min
Si le calcul de l’augmentation maximale de température ΔT conduit à des valeurs
z max
inférieures à 40 K, les essais de pollution ne sont pas nécessaires et la température initiale de
l’essai de fonctionnement combiné doit être 60 °C. Si le calcul de l’augmentation maximale
de température ΔT conduit à des valeurs supérieures ou égales à 40 K, un essai selon la
z max
procédure décrite dans cette annexe doit être effectué, mais il peut néanmoins être omis après
accord entre l’utilisateur et le constructeur (par exemple, sur la base d’un retour d’expérience
dans des environnements spécifiques). De plus, selon la décision du constructeur, même si
le calcul de ΔT conduit à des valeurs supérieures à 40 K, l’essai de pollution peut être
z max
évité en utilisant une température initiale pour l’essai de fonctionnement combiné égale à
(20 + ΔT ) °C.
z max
F.6 Exigences générales pour l'essai de pollution
F.6.1 Echantillon en essai
L’échantillon en essai doit être représentatif de la conception la plus critique correspondant à
un certain type de parafoudre.
Les caractéristiques de l’échantillon en essai doivent être retenues de façon à respecter les
critères du tableau F.2.
60099-4 Amend.1 © IEC:1998 – 15 –

The parameter β shall be calculated according to the following equation:

ΔT
h
β= (1)
Q
h
where
ΔT is the temperature rise during the heating test;
h
Q is the charge applied during the heating test.
h
NOTE – After the heating test, it shall be verified that the heating time (t ) is shorter than 0,1 × τ, otherwise the
h
heating test shall be repeated with a shorter t .
h
F.5 Verification of the need to perform the pollution tests
In order to check the effective need to carry out the pollution test, a preliminary calculation of
the maximum theoretical temperature rise in service (ΔT ) shall be carried out. This
z max
calculation assumes that all the charge expected in service (q ) flows internally. In this hypo-
z
thesis, ΔT can be derived as follows:
z max
 t 
 
z
−
 
UU−
 
 
rrmin
 τ 
ΔτTq=−βD 1e   (2)
z max z m  
U
 
  r
 
where
U is the rated voltage of the surge arrester;
r
U is the minimum rated voltage among the surge arrester units.
r min
If the calculation of the maximum temperature rise ΔT results in values less than 40 K, the
z max
pollution tests are not required and the starting temperature of the operating duty test shall be
60 °C. If the calculation of the maximum temperature rise ΔT results in values of 40 K
z max
or higher, a test according to the procedure described in this annex shall be carried out unless,
by agreement between user and manufacturer (for example, based on service experience
in specified environments) the pollution test can be omitted. Moreover, at the decision of
the manufacturer, even if the calculation of ΔT results in values higher than 40 K, the
z max
pollution test may be avoided by using as starting temperature for the operating duty test
the value (20 + ΔT ) °C.
z max
F.6 General requirements for the pollution test

F.6.1 Test sample
The test sample shall be representative of the most critical design relevant to a certain arrester
type.
The characteristics of the test sample shall be selected according to the criteria given in
table F.2.
– 16 – 60099-4 amend. 1 © CEI:1998

Tableau F.2 – Caractéristiques de l'échantillon utilisé lors de l'essai de pollution

Critères de sélection
Paramètre (caractéristique de l'échantillon en essai

en rapport avec son type de conception)

U /U Maximum
c R
Déséquilibre pondéré (WU)* Maximum

Minimum
Ligne de fuite spécifique [mm/kV]

Section des varistances Minimum

Diamètre équivalent de la porcelaine Maximum

* Le déséquilibre pondéré (WU) doit être calculé comme suit:
 
UCD
rk
 
WU = max. (3)
 2 
 CD U 
kr
où
U est la tension assignée du parafoudre;
r
U est la tension assignée de l’élément k;
rk
CD est la ligne de fuite du parafoudre;
CD est la ligne de fuite de l’unité k;
k
n est le nombre d’éléments du parafoudre;
k = 1,2, . , n.
F.6.2 Installations d’essais
Les installations d’essais doivent remplir les exigences du paragraphe 6.2 de la CEI 60507.
F.6.3 Instrumentation et procédures de mesure
F.6.3.1 Mesure de la charge
Un équipement adapté doit être utilisé pour la mesure de la charge.
Pour la mesure de la charge interne, seule la composante résistive du courant doit être
considérée: l’influence de la composante capacitive sur la mesure de la charge doit donc être
éliminée. Des exemples de méthodes pour éliminer l’influence du courant capacitif sont la
soustraction des formes d’ondes ou l’intégration au-dessus d’un seuil (par exemple 2 mA, voir
le tableau F.1).
Les exigences minimales pour l’appareil de mesure sont décrites dans le tableau F.3a.

60099-4 Amend.1 © IEC:1998 – 17 –

Table F.2 – Characteristic of the sample used for the pollution test

Selection criteria
Parameter (characteristic of the sample to be tested
with respect to the relevant design type)

U /U Maximum
C R
Weighted unbalance (WU) * Maximum

Specific creepage distance [mm/kV] Minimum

Block cross-sectional area Minimum

Equivalent porcelain diameter Maximum

* The weighted unbalance (WU) shall be derived as follows:
 
UCD
rk
 
WU = max. (3)
 2 
CD U
 
kr
where
U is the rated voltage of the surge arrester;
r
U is the rated voltage of the unit k;
rk
CD is the creepage distance of the surge arrester;
CD is the creepage distance of the unit k;
k
n is the number of units of the surge arrester;
k = 1,2 . n.
F.6.2 Testing plant
The testing plant shall fulfil the requirements of 6.2 of IEC 60507.
F.6.3 Measuring devices and measuring procedures
F.6.3.1 Measurement of the charge
A suitable device for the measurement of the charge shall be used.
For the measurement of the internal charge, only the resistive component of the current shall
be considered: the effect of the capacitive current on the charge measurement shall be
eliminated. Examples of methods for eliminating the effect of the capacitive current are the
waveform subtraction method or the integration upon exceeding a threshold limit (for example
2 mA, see table F.1).
The minimum requirements for the measuring device are given in table F.3a.

– 18 – 60099-4 amend. 1 © CEI:1998

Tableau F.3a – Exigences relatives à l'appareil de mesure de la charge

Caractéristique Exigence
Gamme minimale d’intégration de courant 0 mA à 500 mA

Résolution minimale en courant 0,2 mA

Bande passante analogique minimale 0 Hz à 2 000 Hz

Fréquence d'échantillonnage minimale 1 000 Hz

Durée maximale de rafraîchissement de la charge 1 min

Charge capacitive résiduelle maximale pendant la durée ±10 % de la charge totale pendant la durée

de rafraîchissement de rafraîchissement
Incertitude globale maximale de mesure
±10 %
Dans le cas des parafoudres à deux éléments, les charges interne et externe doivent être
mesurées sur les connexions à la fois côté tension et côté terre.
Dans le cas de parafoudres constitués de plus de deux unités, la procédure de mesure
suivante doit être adoptée:
– les charges interne et externe doivent être mesurées sur les connexions du parafoudre à la
fois côté tension et côté terre;
– seule la charge externe doit être mesurée pour les unités intermédiaires;
– la charge interne est évaluée à l’aide de la formule suivante:
()QQ++()Q+Q
iT eT iB eB
Q = −Q (4)
i e
où:
Q est la charge interne de l’unité intermédiaire;
i
Q est la charge interne de l’unité supérieure;
iT
Q est la charge interne de l’unité inférieure;
iB
Q est la charge externe de l’unité intermédiaire;
e
Q est la charge externe de l’unité supérieure;
eT
Q est la charge externe de l’unité inférieure.
eB
F.6.3.2 Mesure de la température

La température des parties internes du parafoudre peut être mesurée à la place de la charge
interne.
Dans ce cas, la mesure de la température doit être effectuée avec des capteurs disposés dans
au moins trois points répartis dans chaque élément. La distance entre les capteurs doit être
h/(n + 1) où h est la hauteur de l’élément et n le nombre de capteurs utilisés.
Les exigences minimales pour les appareils sont décrites dans le tableau F.3b.

60099-4 Amend.1 © IEC:1998 – 19 –

Table F.3a – Requirements for the device used for the measurement of the charge

Characteristic Requirement
Minimum current integration range 0 mA to 500 mA

Minimum current resolution 0,2 mA

Minimum analogue bandwidth 0 Hz to 2 000 Hz

Minimum sampling frequency 1 000 Hz

Maximum updating period of the charge 1 min

Maximum residual capacitive charge in the updating ±10 % of the total charge in the updating period
period
Maximum overall measurement uncertainty ±10 %
In the case of two-unit surge arresters, the internal and external charges shall be measured
both on the line and earth terminals.
In the case of surge arresters composed of more than two units, the following measuring
procedure shall be adopted:
– the internal and external charges shall be measured on the line and earth terminals of the
surge arrester;
– only the external charge shall be measured for intermediate units;
– the internal charge is evaluated by means of the following equation:
QQ++Q+Q
()( )
iT eT iB eB
Q = −Q (4)
i e
where
Q is the internal charge of the intermediate unit;
i
Q is the internal charge of the top unit;
iT
Q is the internal charge of the bottom unit;
iB
Q is the external charge of the intermediate unit;
e
Q is the external charge of the top unit;
eT
Q is the external charge of the bottom unit.
eB
F.6.3.2 Measurement of the temperature

The temperature of the internal parts of the arrester may be measured instead of the internal
charge.
In this case the measurement of the temperature shall be performed by means of sensors
positioned in at least three evenly distributed positions along each unit. The distance between
the sensors shall be h/(n+1) where h is the height of the unit and n the number of sensors
used.
The minimum requirements for the devices are given in table F.3b.

– 20 – 60099-4 amend. 1 © CEI:1998

Tableau F.3b – Exigences relatives à l'appareil de mesure de la température

Caractéristique Exigence
Plage de la température de mesure 20 °C à 200 °C

Incertitude absolue de mesure
±1 K
Résolution
≤0,4 K
Constante de temps thermique maximale 1 min
–1
Fréquence d'échantillonnage minimale 1 min

NOTE – Les échauffements mesurés lors de ces essais sont généralement inférieurs à 100 K.

Dans le cas d’une mesure de la température interne, la charge Q doit être mesurée
tot
seulement sur la connexion du parafoudre côté terre.
F.6.4 Préparation de l’essai
F.6.4.1 Nettoyage de l’échantillon en essai
L’enveloppe du parafoudre doit être soigneusement nettoyée de façon que toute trace de
poussière ou de graisse soit enlevée.
Après le nettoyage, les éléments de l’isolation du parafoudre ne doivent pas être touchés à la main.
De l’eau, de préférence chauffée à 50 °C, additionnée de phosphate de soude ou d’un
détergent équivalent, doit être utilisée, après quoi l’enveloppe isolante doit être bien rincée
avec de l’eau du robinet.
La surface de l’enveloppe isolante est supposée être suffisamment propre et débarrassée de
toute graisse si de larges zones humides sont observées.
F.6.4.2 Installation de l’échantillon
Le parafoudre doit être essayé complètement assemblé comme il est prévu de l’utiliser en
service. Les appareils utilisés pour la mesure de la charge et de la température ne doivent pas
avoir d’influence significative sur le comportement du parafoudre en essai.
F.7 Procédures d'essai
Une des deux procédures d’essai décrite en F.7.1 et F.7.2 peut être utilisée.

F.7.1 Méthode de pollution boueuse
F.7.1.1 Généralités
F.7.1.1.1 Préparation du polluant
Le polluant doit être stocké dans un récipient tel qu’il puisse être fermement agité juste avant
son application. Le polluant doit consister en un mélange
– d'eau;
– de bentonite, 5 g/litre d’eau;
– d'un détergent non dilué et non ionisé composé d’un ether-glycol-polyéthylène-phénol-nonyl
ou d’autres esters à longue chaîne non ionisés comparables, 1 g/litre d’eau;
– de chlorure de sodium.
60099-4 Amend.1 © IEC:1998 – 21 –

Table F.3b – Requirements for the device used for the measurement of the temperature

Characteristic Requirement
Temperature measuring range 20 °C to 200 °C

Absolute measuring uncertainty ±1 K

Resolution
≤0,4 K
Maximum thermal time constant 1 min

–1
Minimum sampling rate 1 min
NOTE – Typical temperature rises in the test are below 100 K.

In the case of internal temperature measurement, the charge Q shall be measured only at
tot
the earth terminal of the surge arrester.
F.6.4 Test preparation
F.6.4.1 Cleaning of the test sample
The surge arrester housing shall be carefully cleaned so that all traces of dirt and grease are
removed.
After cleaning the insulating parts of the surge arrester shall not be touched by hand.
Water, preferably heated to 50 °C, with the addition of trisodium phosphate or equivalent
detergent, shall be used, after which the insulator shall be thoroughly rinsed with tap water.
The surface of the insulator is deemed sufficiently clean and free from any grease if large
continuous wet areas are observed.
F.6.4.2 Installation of the sample
The arrester shall be tested completely assembled as it is intended to be used in service. The
devices used for the measurement of the charge and of the temperature shall not have any
significant influence on the behaviour of the surge arrester under test.
F.7 Test procedures
One of the two test procedures described in F.7.1 and F.7.2 may be used.

F.7.1 Slurry method
F.7.1.1 General
F.7.1.1.1 Contaminant preparation
The contaminant shall be stored in a container so that it can be thoroughly agitated just prior to
application. The contaminant shall consist of a slurry of
– water;
– bentonite, 5 g per litre of water;
– an undiluted non-ionic detergent consisting of nonyl-phenol-polyethylene-glycol-ether, or
other comparable long-chain non-ionic ether; 1 g per litre of water;
– sodium chloride.
– 22 – 60099-4 amend. 1 © CEI:1998

La résistivité volumique du mélange doit être ajustée par addition de chlorure de sodium dans
une fourchette de 400 Ωcm à 500 Ωcm.

La résistivité volumique doit être mesurée à une température de 20 °C. Si la température du

mélange au moment de la mesure est différente de 20 °C, une correction de température doit

être effectuée.
F.7.1.1.2 Conditions d’ambiance

Au début de l’essai, le parafoudre doit être en équilibre thermique avec l’air du hall d’essai. La

température ambiante ne doit pas être inférieure à 5 °C ni supérieure à 40 °C.

F.7.1.2 Préconditionnement de la surface du parafoudre
Avant de commencer le préconditionnement, la tension de référence du parafoudre doit être
déterminée selon la procédure spécifiée en 6.2.
Les étapes suivantes doivent être effectuées:
a) le parafoudre étant hors-tension, le polluant doit être appliqué sur le parafoudre complet,
incluant la face inférieure des ailettes. La couche de pollution doit apparaître comme un
film continu. La durée maximale d’application du polluant est de 10 min;
b) trois minutes après avoir terminé l’application du polluant, le parafoudre doit être placé à la
tension U (voir note 2 de F.7.1.3) pendant 10 min;
c
c) le parafoudre doit être nettoyé par un lavage à l'eau et, juste après, doit être laissé
s’égoutter;
d) les étapes a), b) et c) doivent être répétées trois fois.
A la fin du préconditionnement, le parafoudre doit être laissé se refroidir à la température
ambiante.
Pour vérifier qu’aucun dommage n’ait affecté le parafoudre pendant le préconditionnement, la
tension de référence du parafoudre doit être mesurée et comparée avec la mesure effectuée
avant le préconditionnement. Des limites acceptables de variation de la tension de référence
doivent être indiquées par le constructeur.
L’essai doit démarrer aussi vite que possible après la fin du préconditionnement.
F.7.1.3 Procédure d’essai
Les étapes suivantes doivent être effectuées:

a) le parafoudre étant hors-tension, le polluant doit être appliqué sur le parafoudre complet,
incluant la face inférieure des ailettes. La couche de pollution doit apparaître comme un
film continu. La durée maximale d’application du polluant est de 10 min;
b) trois minutes après avoir terminé l’application du polluant, le parafoudre doit être placé à la
tension U (voir note 2) pendant 10 min; la mesure de la charge doit débuter au moment de
c
l’application de la tension;
c) le parafoudre doit être nettoyé par un lavage à l’eau et, juste après, doit être laissé
s’égoutter. Avant de passer à l'essai suivant, les éléments internes du parafoudre doivent
refroidir jusqu'à une température proche de ±2 K de la moyenne ambiante. Si la
température des parties internes n’est pas mesurée, une durée minimale de 2τ doit séparer
deux essais consécutifs pour s’assurer que le parafoudre s’est refroidi à une température
proche de l’ambiante. N’importe quel moyen pour refroidir les parafoudres à une
température proche de l’ambiante, accepté par le constructeur, est permis. Plusieurs
parafoudres peuvent être essayés en parallèle de façon à réduire le temps d’attente;

60099-4 Amend.1 © IEC:1998 – 23 –

The volume resistivity of the slurry shall be adjusted by addition of sodium chloride to range

between 400 Ωcm and 500 Ωcm.
Volume resistivity shall be measured at a temperature of 20 °C. If during the measurement of

the volume resistivity, the temperature of the slurry is different from 20 °C, a calculation for

temperature correction shall be made.

F.7.1.1.2 Ambient conditions
At the start of the test, the surge arrester shall be in thermal equilibrium with the air in the test

chamber. The ambient temperature shall not be less than 5 °C nor greater than 40 °C.

F.7.1.2 Preconditioning of the surge arrester surface
Before starting the preconditioning, the reference voltage of the surge arrester shall be
determined, according to the procedure specified in 6.2.
The following steps shall be applied:
a) with the arrester de-energized, the pollutant shall be applied to the complete arrester,
including the underside of the sheds. The pollution layer shall appear as a continuous film.
Maximum time for application of the pollutant is 10 min;
b) three minutes after the slurry application is completed the arrester shall be energized at a
voltage U (see note 2 of F.7.1.3) for 10 min;
c
c) the arrester shall be cleaned by washing with water and thereafter left to drip-dry.
d) steps a), b) and c) shall be repeated three times.
At the end of the preconditioning process, the surge arrester shall be left to cool at ambient
temperature.
In order to verify that no damage has occurred to the surge arrester during the preconditioning
process, the reference voltage of the surge arrester shall be measured and compared with the
measurement performed before the preconditioning. Acceptable limits of variation of the
reference voltage shall be specified by the manufacturer.
The test shall start as soon as poss
...