IEC 61643-12:2002

NORME CEI
INTERNATIONALE IEC
61643-12
INTERNATIONAL
Première édition
STANDARD
First edition
2002-02
Parafoudres basse tension –
Partie 12:
Parafoudres connectés aux réseaux
de distribution basse tension –
Principes de choix et d'application
Low-voltage surge protective devices –
Part 12:
Surge protective devices connected to
low-voltage power distribution systems –
Selection and application principles

Numéro de référence
Reference number
CEI/IEC 61643-12:2002
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.
NORME CEI
INTERNATIONALE IEC
61643-12
INTERNATIONAL
Première édition
STANDARD
First edition
2002-02
Parafoudres basse tension –
Partie 12:
Parafoudres connectés aux réseaux
de distribution basse tension –
Principes de choix et d'application
Low-voltage surge protective devices –
Part 12:
Surge protective devices connected to
low-voltage power distribution systems –
Selection and application principles

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– 2 – 61643-12  CEI:2002
SOMMAIRE
AVANT-PROPOS .10

0 Introduction .16

0.1 Généralités.16

0.2 Comment utiliser la présente norme.16

0.3 Liste des symboles utilisés dans la présente norme .20

1 Domaine d'application.22

2 Références normatives .22

3 Définitions .24
4 Systèmes et matériels à protéger .44
4.1 Réseaux de distribution basse tension .44
4.1.1 Surtensions de foudre et courants.46
4.1.2 Surtensions de manœuvre .48
4.1.3 Surtensions temporaires U .48
TOV
4.2 Caractéristiques des matériels à protéger .52
5 Parafoudres.52
5.1 Fonction de base des parafoudres .52
5.2 Prescriptions supplémentaires .54
5.3 Classification des parafoudres .54
5.3.1 Parafoudres: classification. .54
5.3.2 Conception et topologies courantes.56
5.4 Caractéristiques des parafoudres.58
5.4.1 Conditions de services décrites dans la CEI 61643-1.58
5.4.2 Liste des paramètres pour le choix des parafoudres .58
5.5 Informations supplémentaires sur les caractéristiques des parafoudres.60
5.5.1 Informations liées aux tensions du réseau.60
5.5.2 Informations liées aux courants de chocs, niveaux de protection
de tension et autres caractéristiques .62
6 Mise en œuvre des parafoudres dans les réseaux de distribution .72
6.1 Emplacement et protection assurée par les parafoudres .72
6.1.1 Modes possibles de protection et d'installation .72
6.1.2 Influence du phénomène oscillatoire sur la distance de protection .74
6.1.3 Influence de la longueur des câbles de connexion .74

6.1.4 Nécessité d'une protection complémentaire.76
6.1.5 Choix de l'emplacement du parafoudre en fonction des classes d'essai.80
6.1.6 Concept de zone de protection.80
6.2 Choix du parafoudre .80
6.2.1 Choix de U , U et I /I /I /U du parafoudre.84
c T n imp max oc
6.2.2 Distance de protection .86
6.2.3 Durée de vie et mode de défaillance prospectifs.88
6.2.4 Relations entre un parafoudre et d'autres dispositifs.88
6.2.5 Choix du niveau de protection en tension U .90
p
6.2.6 Coordination entre le parafoudre choisi et les autres parafoudres.90
6.3 Caractéristiques des dispositifs auxiliaires .96
6.3.1 Dispositif de déconnexion .96
6.3.2 Compteurs de chocs .96
6.3.3 Indicateurs d'état .96

61643-12  IEC:2002 – 3 –
CONTENTS
FOREWORD.11

0 Introduction .17

0.1 General .17

0.2 Keys to understanding the structure of this standard .17

0.3 List of symbols used in this standard .21

1 Scope.23

2 Normative references .23

3 Definitions .25
4 Systems and equipment to be protected .45
4.1 Low-voltage power distribution systems.45
4.1.1 Lightning overvoltages and currents .47
4.1.2 Switching overvoltages .49
4.1.3 Temporary overvoltages U .49
TOV
4.2 Characteristics of the equipment to be protected .53
5 Surge protective devices .53
5.1 Basic function of SPDs .53
5.2 Additional requirements.55
5.3 Classification of SPDs .55
5.3.1 SPD: classification.55
5.3.2 Typical design and topologies.57
5.4 Characteristics of SPDs.59
5.4.1 Service conditions described in IEC 61643-1 .59
5.4.2 List of parameters for SPD selection.59
5.5 Additional information on characteristics of SPDs.61
5.5.1 Information related to power-frequency voltages.61
5.5.2 Information related to surge currents, voltage protection levels
and other characteristics .63
6 Application of SPDs in low-voltage power distribution systems .73
6.1 Installation and its effect on the protection given by SPDs.73
6.1.1 Possible modes of protection and installation .73
6.1.2 Influence of the oscillation phenomena on the protective distance .75
6.1.3 Influence of the connecting lead length.75

6.1.4 Need for additional protection.77
6.1.5 Choice of the location of the SPD depending on the classes of test .81
6.1.6 Protection zone concept .81
6.2 Selection of SPD .81
6.2.1 Selection of U
, U and I /I /I /U of the SPD.85
c T n imp max oc
6.2.2 Protective distance .87
6.2.3 Prospective life and failure mode.89
6.2.4 Interaction between SPDs and other devices.89
6.2.5 Choice of the voltage protection level U .91
p
6.2.6 Co-ordination between the chosen SPD and other SPDs .91
6.3 Characteristics of auxiliary devices.97
6.3.1 Disconnecting devices .97
6.3.2 Event counters .97
6.3.3 Status indicator .97

– 4 – 61643-12  CEI:2002
7 Analyse du risque .96

8 Coordination dans le cas d'un matériel présentant à la fois des bornes
de télécommunication et de puissance .98

Annexe A (informative) Informations types sur les enquêtes, appels d'offre et explication

des procédures d'essai . 100

A.1 Informations données avec les enquêtes . 100

A.2 Informations pour les appels d'offre. 102

A.3 Explication sur les procédures d'essai utilisées dans la CEI 61643-1 . 104

Annexe B (informative) Exemples de relation entre U et la tension nominale utilisée
c
dans certains réseaux, et exemples de relation entre U et U pour une varistance ZnO . 108
p c
B.1 Relation entre U et la tension nominale du réseau. 108
c
B.2 Relation entre U et U pour une varistance ZnO . 108
p c
Annexe C (informative) Environnement – Tensions de chocs dans les réseaux BT. 112
C.1 Surtensions de foudre . 112
C.2 Surtensions de manœuvre . 116
C.3 Surtension transitoire due à des défauts. 120
Annexe D (informative) Calculs de courants de foudre partiels . 122
Annexe E (informative) Surtension temporaire – Surtension en basse tension
due à des défauts entre réseaux haute tension et terre. 124
E.1 Généralités . 124
E.2 Exemple d'un schéma TT – Calcul de surtensions temporaires possibles. 126
E.3 Valeurs des surtensions temporaires selon la CEI 60364-4-44. 130
E.4 Valeurs des TOV pour le schéma TNC-S des USA . 150
Annexe F (informative) Règles et principes de coordination. 154
F.1 Généralités . 154
F.2 Etudes analytiques: cas simple de la coordination de deux varistances
à l'oxyde de zinc . 154
F.3 Etude analytique: cas de la coordination entre un éclateur et un parafoudre
à varistance à l'oxyde de zinc. 162
F.4 Etude analytique: coordination générale de deux parafoudres. 166
F.5 Méthode d'énergie de non fonctionnement . 168

Annexe G (informative) Exemples d'application de la CEI 61643-12. 174
G.1 Utilisation domestique . 174
G.2 Utilisation industrielle . 178
G.3 Présence d'un parafoudre . 180
Annexe H (informative) Exemples d'application de l'analyse des risques. 184
Annexe I (informative) Contraintes de réseaux . 186
I.1 Courants et surtensions de foudre [4.1.1] . 186
I.2 Surtensions de manœuvre [4.1.2]. 190
I.3 Surtensions temporaires U [4.1.3]. 190
TOV
61643-12  IEC:2002 – 5 –
7 Risk analysis .97

8 Co-ordination where equipment has both signalling and power terminals.99

Annex A (informative) Typical information given with inquiries and tenders

and explanation of testing procedures.101

A.1 Information given with inquiries.101

A.2 Information given with tender.103

A.3 Explanation of testing procedures used in IEC 61643-1 .105

Annex B (informative) Examples of relationship between U and the nominal voltage

c
used in some systems and example of relationship between U and U for ZnO varistor .109
p c
B.1 Relationship between U and the nominal voltage of the system .109
c
B.2 Relationship between U and U for a ZnO varistor .109
p c
Annex C (informative) Environment – Surge voltages in LV systems.113
C.1 Lightning overvoltages.113
C.2 Switching overvoltages .117
C.3 Transient overvoltage due to faults .121
Annex D (informative) Partial lightning current calculations.123
Annex E (informative) TOV in the low-voltage system due to faults
between high-voltage systems and earth .125
E.1 General .125
E.2 Example of a TT system – Calculation of the possible temporary overvoltages .127
E.3 Values of the temporary overvoltages according to IEC 60364-4-44.131
E.4 Values of the temporary overvoltages for the US TN C-S system .151
Annex F (informative) Co-ordination rules and principles .155
F.1 General .155
F.2 Analytical studies: simple case of the co-ordination of two ZnO varistor based SPDs. 155
F.3 Analytical study: case of co-ordination between a gap-based SPD
and a ZnO varistor based SPD.163
F.4 Analytical study: general co-ordination of two SPDs.167
F.5 Let-through energy (LTE) method .169
Annex G (informative) Examples of application .175

G.1 Domestic application.175
G.2 Industrial application.179
G.3 Presence of a lightning protection system.181
Annex H (informative) Examples of application of the risk analysis .185
Annex I (informative) System stresses .187
I.1 Lightning overvoltages and currents [4.1.1].187
I.2 Switching overvoltages [4.1.2] .191
I.3 Temporary overvoltages U [4.1.3].191
TOV
– 6 – 61643-12  CEI:2002
Annexe J (informative) Critères de sélection des parafoudres. 194

J.1 U caractéristique de la surtension temporaire [5.5.1.2]. 194

T
J.2 Modes de défaillance des parafoudres [5.5.2.4]. 194

Annexe K (informative) Utilisation des parafoudres. 200

K.1 Emplacement et protection apportés par les parafoudres [6.1] . 200

K.2 Choix des parafoudres . 222

Annexe L (informative) Analyse des risques . 230

L.1 Groupe A – Paramètres d'environnement . 230
L.2 Groupe B – Matériels et installations . 232
L.3 Groupe C – Aspects économiques et interruption de service. 232
L.4 Groupe D – Sécurité . 234
L.5 Groupe E – Dépenses relatives à la protection . 234
Bibliographie . 236
Figure 1 – Exemples de parafoudres à un port.34
Figure 2 – Exemples de parafoudres à deux ports .36
Figure 3 – Réponse de parafoudres à un port et à deux ports à une onde
de choc combinée .38
Figure 4 – Valeurs maximales des U figurant dans la CEI 60364-4-44 .52
TOV
Figure 5 – Exemples de composants et de combinaisons de composants .56
Figure 6 – Relation entre U , U , U et U .60
p 0 c cs
Figure 7 – Courbe typique de U en fonction de I pour une varistance ZnO.66
res
Figure 8 – Courbe typique d'un éclateur à air.68
Figure 9 – Organigramme d'utilisation des parafoudres.72
Figure 10 – Influence des longueurs des câbles de connexion des parafoudres .76
Figure 11 – Nécessité d'une protection complémentaire .78
Figure 12 – Organigramme pour le choix d'un parafoudre .82
Figure 13 – U et U .86
T TOV
Figure 14 – Utilisation type de deux parafoudres – Schéma électrique .92
Figure D.1 – Calcul simple de la somme des courants de foudre partiels

dans un réseau de distribution d'énergie. 122
Figure E.1 – Surtension temporaire de fréquence industrielle due à un défaut de terre
du réseau haute tension . 126
Figure E.2 – Réseaux TN . 132
Figure E.3 – Schémas TT. 134
Figure E.4 – Schémas IT, exemple a . 136
Figure E.5 – Schémas IT, exemple b . 138
Figure E.6 – Schémas IT, exemple c1 . 140
Figure E.7 – Schémas IT, exemple c2 . 142
Figure E.8 – Schémas IT, exemple d . 144
Figure E.9 – Schémas IT, exemple e1 . 146
Figure E.10 – Schémas IT, exemple e2 . 148

61643-12  IEC:2002 – 7 –
Annex J (informative) Criteria for selection of SPDs.195

J.1 U temporary overvoltage characteristic [5.5.1.2].195
T
J.2 SPD failure modes [5.5.2.4] .195

Annex K (informative) Application of SPDs .201

K.1 Location and protection given by SPDs [6.1].201

K.2 Selection of SPDs.223

Annex L (informative) Risk analysis .231

L.1 Group A – Environmental.231

L.2 Group B – Equipment and facilities .233
L.3 Group C – Economics and service interruption.233
L.4 Group D – Safety.235
L.5 Group E – Cost of protection.235
Bibliography.237
Figure 1 – Examples of one-port SPDs .35
Figure 2 – Examples of two-port SPDs.37
Figure 3 – Response of one-port and two-port SPDs to a combination wave impulse .39
Figure 4 – Maximum values of U according to IEC 60634-4-44 .53
TOV
Figure 5 – Examples of components and combinations of components .57
Figure 6 – Relationship between U , U , U and U .61
p 0 c cs
Figure 7 – Typical curve of U versus I for ZnO Varistors .67
res
Figure 8 – Typical curve for a spark gap .69
Figure 9 – Flow chart for SPD Application.73
Figure 10 – Influence of SPD connecting lead lengths .77
Figure 11 – Need for additional protection .79
Figure 12 –Flow chart for the selection of an SPD.83
Figure 13 – U and U .87
T TOV
Figure 14 – Typical use of two SPDs – Electrical drawing .93
Figure D.1 – Simple calculation of the sum of partial lightning currents into
the power distribution system.123
Figure E.1 – Temporary power-frequency overvoltage caused by an earth fault

in the high-voltage system .127
Figure E.2 – TN systems.133
Figure E.3 – TT systems.135
Figure E.4 – IT system, example a.137
Figure E.5 – IT system, example b.139
Figure E.6 – IT system, example c1 .141
Figure E.7 – IT system, example c2 .143
Figure E.8 – IT system, example d.145
Figure E.9 – IT system, example e1.147
Figure E.10 – IT system, example e2 .149

– 8 – 61643-12  CEI:2002
Figure E.11 – Valeurs des TOV pour le schéma TNC-S des USA. 150

Figure F.1 – Deux varistances à l'oxyde de zinc ayant le même courant nominal

de décharge. 156

Figure F.2 – Deux varistances à l’oxyde de zinc avec des courants nominaux

de décharge différents . 160

Figure F.3 – Exemple de coordination d'un éclateur et d'un parafoudre à varistance ZnO. 166

Figure F.4 – LTE – Méthode de coordination avec les paramètres d'une impulsion normale. 168

Figure G.1 – Installation domestique . 176

Figure G.2 – Installation industrielle. 178
Figure G.3 – Circuit électrique de l'installation industrielle. 180
Figure G.4 – Installation avec paratonnerre . 182
Figure I.1 – Exemple d'écoulement du courant dans les raccordements externes
de service (schéma TT) .188
Figure J.1 – Courbe caractéristique pour U d'un parafoudre . 194
T
Figure J.2 – Déconnecteur interne dans le cas d'un parafoudre à deux ports . 196
Figure J.3 – Utilisation de parafoudres montés en parallèle . 196
Figure K.1 – Installation de parafoudres dans des réseaux TN. 202
Figure K.2 – Installation de parafoudres dans des schémas TT
(parafoudre placé en aval du DDR). 204
Figure K.3 – Installation de parafoudres dans des schémas TT
(parafoudre placé en amont du DDR) . 206
Figure K.4 – Installation de parafoudres dans des schémas IT sans neutre distribué. 208
Figure K.5 – Installation caractéristique de parafoudres à l'entrée d'une installation
dans le cas d'un schéma TN C-S. 210
Figure K.6 – Façon générale d'installation de parafoudres à un port. 212
Figure K.7 – Exemples d'installation acceptables et non acceptables
de parafoudres vis à vis de la CEM . 214
Figure K.8 – Représentation physique et électrique d'un réseau où le matériel protégé
est séparé de la protection apportée par le parafoudre . 216
Figure K.9 – Oscillation possible entre un parafoudre à ZnO et le matériel à protéger . 218
Figure K.10 – Exemple de doublement de tension . 218
Figure K.11 – Subdivision d'un bâtiment en zone de protection . 220

Figure K.12 – Coordination de deux varistances à l'oxyde de zinc . 226
Tableau 1 – Valeurs maximales des TOV figurant dans la CEI 60364-4-44 .50
Tableau 2 – Valeur préférentielle de I .64
imp
Tableau 3 – Modes possibles de protection pour différents réseaux BT.74
Tableau B.1 – Relation entre U et la tension nominale du réseau. 108
c
Tableau B.2 – Relation entre U et U pour une varistance ZnO. 110
p c
Tableau F.1 . 172
Tableau F.2 . 172
Tableau F.3 . 172

61643-12  IEC:2002 – 9 –
Figure E.11 – US TN-C-S System .151

Figure F.1 – Two ZnO varistors with the same nominal discharge current .157

Figure F.2 –Two ZnO varistors with different nominal discharge currents.161

Figure F.3 – Example of co-ordination of a gap-based SPD and a ZnO varistor based SPD .167

Figure F.4 – LTE – Co-ordination method with standard pulse parameters.169

Figure G.1 – Domestic installation .177

Figure G.2 – Industrial installation .179

Figure G.3 – Industrial installation circuitry .181

Figure G.4 – Installation with lightning protection system .183
Figure I.1 – Example of diversion of lightning current into the external services (TT system)189
Figure J.1 – Typical curve for U of an SPD.195
T
Figure J.2 – Internal disconnector in the case of a two-port SPD .197
Figure J.3 – Use of parallel SPDs .197
Figure K.1 – Installation of surge protective devices in TN-systems .203
Figure K.2 – Installation of surge protective devices in TT-systems
(SPD downstream of the RCD).205
Figure K.3 – Installation of surge protective devices in TT-systems
(SPD upstream of the RCD).207
Figure K.4 – Installation of surge protective devices in IT-systems
without neutral distributed.209
Figure K.5 – Typical installation of SPD at the entrance of the installation
in case of a TN C-S system .211
Figure K.6 – General way of installing one-port SPDs .213
Figure K.7 – Examples of acceptable and unacceptable SPD installations
regarding EMC aspects.215
Figure K.8 – Physical and electrical representations of a system where equipment
being protected is separated from the SPD giving protection .217
Figure K.9 – Possible oscillation between a ZnO SPD and the equipment
to be protected.219
Figure K.10 – Example of voltage doubling .219
Figure K.11 – Subdivision of a building into protection zones.221
Figure K.12 – Co-ordination of two ZnO varistors.227

Table 1 – Maximum TOV values as given in IEC 60634-4-44 .51
Table 2 – Preferred values of I .65
imp
Table 3 – Possible modes of protection for various LV systems .75
Table B.1 – Relationship between U and nominal system voltage .109
c
Table B.2 – Relationship between U /U for ZnO varistors .111
p c
Table F.1 .173
Table F.2 .173
Table F.3 .173

– 10 – 61643-12  CEI:2002
COMMISSION ÉLECTROTECHNIQUE INTERNATIONALE

____________
PARAFOUDRES BASSE TENSION –
Partie 12: Parafoudres connectés aux réseaux

de distribution basse tension –

Principes de choix et d'application

AVANT-PROPOS
1) La CEI (Commission Électrotechnique Internationale) 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.
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 te
...