IEC TR 60664-4:1997

RAPPORT
CEI
TECHNIQUE
IEC
60664-4
TECHNICAL
Première édition
REPORT
First edition
1997-09
PUBLICATION FONDAMENTALE DE SÉCURITÉ
BASIC SAFETY PUBLICATION
Coordination de l'isolement des matériels
dans les systèmes (réseaux) à basse tension –
Partie 4:
Considérations sur les contraintes de tension
à hautes fréquences –
Insulation coordination for equipment
within low-voltage systems –
Part 4:
Considerations of high-frequency voltage stress –

Numéro de référence
Reference number
CEI/IEC 60664-4: 1997
Numéros des publications Numbering

Les publications de la CEI sont numérotées à partir de As from 1st January 1997 all IEC publications are

60000 dès le 1er janvier 1997. issued with a designation in the 60000 series.

Publications consolidées Consolidated publications

Les versions consolidées de certaines publications de Consolidated versions of some IEC publications

la CEI incorporant des amendements sont disponibles. including amendments are available. For example,

Par exemple, les numéros d’édition 1.0, 1.1 et 1.2 edition numbers 1.0, 1.1 and 1.2 refer, respectively, to
indiquent respectivement la publication de base, la the base publication, the base publication

publication de base incorporant l’amendement 1, et la incorporating amendment 1 and the base publication

publication de base incorporant les amendements 1 incorporating amendments 1 and 2.

et 2.
Validité de la présente publication Validity of this publication
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. the content reflects current technology.
Des renseignements relatifs à la date de Information relating to the date of the reconfirmation
reconfirmation de la publication sont disponibles dans of the publication is available in the IEC catalogue.
le Catalogue de la CEI.
Les renseignements relatifs à ces révisions, à l'établis- Information on the revision work, the issue of revised
sement des éditions révisées et aux amendements editions and amendments may be obtained from IEC
peuvent être obtenus auprès des Comités nationaux de National Committees and from the following IEC
la CEI et dans les documents ci-dessous: sources:
• Bulletin de la CEI • IEC Bulletin
• Annuaire de la CEI • IEC Yearbook
Accès en ligne* On-line access*
• Catalogue des publications de la CEI • Catalogue of IEC publications
Publié annuellement et mis à jour régulièrement Published yearly with regular updates
(Accès en ligne)* (On-line access)*
Terminologie, symboles graphiques Terminology, graphical and letter
et littéraux symbols
En ce qui concerne la terminologie générale, le lecteur For general terminology, readers are referred to IEC
se reportera à la CEI 60050: Vocabulaire Electro- 60050: International Electrotechnical Vocabulary
technique International (VEI). (IEV).
Pour les symboles graphiques, les symboles littéraux For graphical symbols, and letter symbols and signs
et les signes d'usage général approuvés par la CEI, le approved by the IEC for general use, readers are
referred to publications IEC 60027: Letter symbols to
lecteur consultera la CEI 60027: Symboles littéraux à
utiliser en électrotechnique, la CEI 60417: Symboles be used in electrical technology, IEC 60417: Graphical
graphiques utilisables sur le matériel. Index, relevé et symbols for use on equipment. Index, survey and
compilation of the single sheets
compilation des feuilles individuelles, et la CEI 60617: and IEC 60617:
Symboles graphiques pour schémas. Graphical symbols for diagrams.

Publications de la CEI établies par IEC publications prepared by the same
le même comité d'études technical committee
L'attention du lecteur est attirée sur les listes figurant The attention of readers is drawn to the end pages of
à la fin de cette publication, qui énumèrent les this publication which list the IEC publications issued
publications de la CEI préparées par le comité by the technical committee which has prepared the
d'études qui a établi la présente publication. present publication.
* Voir adresse «site web» sur la page de titre. * See web site address on title page.

RAPPORT
CEI
TECHNIQUE – TYPE 3
IEC
60664-4
TECHNICAL
Première édition
REPORT – TYPE 3
First edition
1997-09
PUBLICATION FONDAMENTALE DE SÉCURITÉ
BASIC SAFETY PUBLICATION
Coordination de l'isolement des matériels
dans les systèmes (réseaux) à basse tension –
Partie 4:
Considérations sur les contraintes de tension
à hautes fréquences –
Insulation coordination for equipment
within low-voltage systems –
Part 4:
Considerations of high-frequency voltage stress –

 IEC 1997 Droits de reproduction réservés  Copyright - all rights reserved
Aucune partie de cette publication ne peut être reproduite ni No part of this publication may be reproduced or utilized in
utilisée sous quelque forme que ce soit et par aucun any form or by any means, electronic or mechanical,
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copie et les microfilms, sans l'accord écrit de l'éditeur. writing from the publisher.
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CODE PRIX
Commission Electrotechnique Internationale
PRICE CODE U
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Pour prix, voir catalogue en vigueur
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– 2 – 60664-4 © CEI:1997
SOMMAIRE
Pages
AVANT-PROPOS . 4

INTRODUCTION . 8

Articles
1  Domaine d'application. 10
2  Documents de référence. 10
3  Distances d'isolement. 10
4  Lignes de fuite. 14
5  Isolation solide . 14
6  Essais à haute fréquence . 18
Figures. 22
Annexe. 58

60664-4 © IEC:1997 – 3 –
CONTENTS
Page
FOREWORD . 5

INTRODUCTION . 9

Clause
1  Scope. 11
2  Reference documents. 11
3  Clearances . 11
4  Creepage distances. 15
5  Solid insulation . 15
6  High-frequency testing. 19
Figures. 23
Annex . 59

– 4 – 60664-4 © CEI:1997
COMMISSION ÉLECTROTECHNIQUE INTERNATIONALE

_________
COORDINATION DE L'ISOLEMENT DES MATÉRIELS

DANS LES SYSTÈMES (RÉSEAUX) À BASSE TENSION –

Partie 4: Considérations sur les contraintes

de tension à hautes fréquences –
AVANT-PROPOS
1) La CEI (Commission Electrotechnique 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 techniques, représentent, dans la mesure
du possible un accord international sur les sujets étudiés, étant donné que les Comités nationaux intéressés
sont représentés dans chaque comité d’études.
3) Les documents produits se présentent sous la forme de recommandations internationales. Ils sont publiés
comme normes, rapports techniques ou guides et agréés comme tels par les Comités nationaux.
4) Dans le but d'encourager l'unification internationale, les Comités nationaux de la CEI s'engagent à appliquer de
façon transparente, dans toute la mesure possible, les Normes Internationales de la CEI dans leurs normes
nationales et régionales. Toute divergence entre la norme de la CEI et la norme nationale correspondante doit
être indiquée en termes clairs dans cette dernière.
5) La CEI n’a fixé aucune procédure concernant le marquage comme indication d’approbation et sa responsabilité
n’est pas engagée quand un matériel est déclaré conforme à l’une de ses normes.
6) L’attention est attirée sur le fait que certains des éléments de la présente Norme internationale 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 tâche principale des comités d’études de la CEI est l’élaborer des Normes internationales.
Exceptionnellement, un comité d’études peut proposer la publication d’un rapport technique de
l’un des types suivants:
• type 1, lorsque, en dépit de maints efforts, l’accord requis ne peut être réalisé en faveur
de la publication d’une Norme internationale;

• type 2, lorsque le sujet en question est encore en cours de développement technique
ou lorsque, pour une raison quelconque, la possibilité d’un accord pour la publication
d’une Norme internationale peut être envisagée pour l’avenir mais pas dans l’immédiat;
• type 3, lorsqu’un comité d’études a réuni des données de nature différente de celles qui
sont normalement publiées comme Normes internationales, cela pouvant comprendre, par
exemple, des informations sur l’état de la technique.
Les rapports techniques des types 1 et 2 font l’objet d’un nouvel examen trois ans au plus tard
après leur publication afin de décider éventuellement de leur transformation en Normes
internationales. Les rapports techniques du type 3 ne doivent pas nécessairement être révisés
avant que les données qu’ils contiennent ne soient plus jugées valables ou utiles.

60664-4 © IEC:1997 – 5 –
INTERNATIONAL ELECTROTECHNICAL COMMISSION

_________
INSULATION COORDINATION OF EQUIPMENT WITHIN

LOW-VOLTAGE SYSTEMS –
Part 4: Consideration of high-frequency voltage stress –

FOREWORD
1) The IEC (International Electrotechnical Commission) is a worldwide organization for standardization comprising
all national electrotechnical committees (IEC National Committees). The object of the 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, the IEC publishes International Standards. 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. The 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 the 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 National Committees.
3) The documents produced have the form of recommendations for international use and are published in the form
of standards, technical reports or guides and they are accepted by the National Committees in that sense.
4) In order to promote international unification, IEC National Committees undertake to apply IEC International
Standards transparently to the maximum extent possible in their national and regional standards. Any
divergence between the IEC Standard and the corresponding national or regional standard shall be clearly
indicated in the latter.
5) The IEC provides no marking procedure to indicate its approval and cannot be rendered responsible for any
equipment declared to be in conformity with one of its standards.
6) Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this International Standard may be the subject
of patent rights. The IEC shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights.
The main task of IEC technical committees is to prepare International Standards. In
exceptional circumstances, a technical committee may propose the publication of a technical
report of one of the following types:
• type 1, when the required support cannot be obtained for the publication of an
International Standard, despite repeated efforts;
• type 2, when the subject is still under technical development or where for any other
reason there is the future but no immediate possibility of an agreement on an International
Standard;
• type 3, when a technical committee has collected data of a different kind from that
which is normally published as an International Standard, for example "state of the art".
Technical reports of types 1 and 2 are subject to review within three years of publication to
decide whether they can be transformed into International Standards. Technical reports of
type 3 do not necessarily have to be reviewed until the data they provide are considered to be
no longer valid or useful.
– 6 – 60664-4 © CEI:1997
La CEI 60664-4, rapport technique de type 3, a été établie par le comité d’études 28 de la CEI:

Coordination de l'isolement des matériels dans les systèmes (réseaux) à basse tension.

Elle a le statut d'une publication fondamentale de sécurité conformément au Guide CEI 104.

Le texte de ce rapport technique est issu des documents suivants:

Projet de comité Rapport de vote

28A(SEC)93 28A/114/RVC
Le rapport de vote indiqué dans le tableau ci-dessus donne toute information sur le vote ayant
abouti à l'approbation de ce rapport technique.

60664-4 © IEC:1997 – 7 –
IEC 60664-4, which is a technical report of type 3, has been prepared by IEC technical
committee 28: Insulation coordination for equipment within low-voltage systems.

It has the status of a basic safety publication in accordance with IEC Guide 104.

The text of this technical report is based on the following documents:

Committee draft Report on voting

28A(SEC)93 28A/114/RVC
Full information on the voting for the approval of this technical report can be found in the report
on voting indicated in the above table.

– 8 – 60664-4 © CEI:1997
INTRODUCTION
Des contraintes électriques élevées apparaissent dans les matériels à haute tension. La

fréquence est généralement de 50/60 Hz, mais dans certaines applications des fréquences

légèrement plus élevées (400 Hz) ou plus basses (16 2/3 Hz,) ou continues peuvent

apparaître. Une situation particulière peut apparaître dans les transmetteurs de radio-

fréquences de haute puissance. Le développement de tels matériels a été à l'origine de la

motivation de recherches sur la capacité de tenue de l'isolation pour les radiofréquences.

Depuis ce temps, l'aspect des contraintes de tension à hautes fréquences n'a pas été étudié.

Actuellement, les tensions de fonctionnement à hautes fréquences dépassant 100 kHz sont
souvent utilisées dans des matériels à basse tension. On peut s'attendre à ce que le domaine
du MHz soit atteint dans le futur. Des petites dimensions sont nécessaires pour la
miniaturisation et pour une fiabilité élevée, par exemple pour les transformateurs HF dans
lesquels une contrainte très élevée existe plus particulièrement pour l'isolation solide.
Comme les distances sont appelées à diminuer et les fréquences à augmenter dans la même
période, la situation s'aggravera dans le futur. C'est pourquoi, en tenant compte de la sécurité
du personnel et de la fiabilité du matériel, les contraintes dues aux hautes fréquences jusqu'à
1 MHz doivent être considérées dans la coordination de l'isolement des matériels à basse
tension (voir la note 2 du domaine d'application de la CEI 60664-1).
Ce rapport résume les données disponibles les plus importantes concernant les contraintes à
hautes fréquences sur l'isolement et précise comment les matériaux et leurs dimensions
peuvent être influencés. Ce rapport décrit aussi la manière dont les essais peuvent être
réalisés en tenant compte de ces contraintes.

60664-4 © IEC:1997 – 9 –
INTRODUCTION
High electrical stress occurs in high-voltage equipment. The frequency is usually 50/60 Hz, but

in some applications a higher frequency (400 Hz) or a lower frequency (16 2/3 Hz) or d.c. may
occur. A particular situation may exist in high-power RF transmitters. The development of such
equipment had motivated earlier research on the withstand capability of insulation at radio

frequencies. Since that time, the aspect of high-frequency voltage stress has not been

pursued.
At present, high-frequency working voltages with frequencies exceeding 100 kHz are often

used in low-voltage equipment. It can also be expected that frequencies in the MHz range will
be reached in the future. Small dimensions are necessary for miniaturization and for high
efficiency, for instance in HF transformers so that a very high stress exists, especially on solid
insulation.
As dimensions are likely to decrease further and frequencies increase, this situation will be
aggravated in the future. Therefore, with respect to safety of personnel and reliability of
equipment, the stress due to high frequencies up to 1 MHz will have to be considered for
insulation coordination of low-voltage equipment (see note 2 to the scope of IEC 60664-1).
This report summarizes the most important available data concerning high-frequency stress of
insulation, and identifies how materials and their dimensions may be influenced. This report
also describes how tests may be performed with respect to this stress.

– 10 – 60664-4 © CEI:1997
COORDINATION DE L'ISOLEMENT DES MATÉRIELS

DANS LES SYSTÈMES (RÉSEAUX) À BASSE TENSION –

Partie 4: Considérations sur les contraintes

de tension à hautes fréquences –

1 Domaine d'application
Ce rapport traite de l'isolation soumise à des contraintes de tension à hautes fréquences dans

les matériels à basse tension. Des tensions permanentes jusqu'à des fréquences de 100 MHz
sont considérées.
NOTE – Les contraintes à hautes fréquences dues à des surtensions transitoires ne sont pas considérées.
2 Documents de référence
CEI 60112:1979, Méthode pour déterminer les indices de résistance et de tenue au
cheminement des matériaux isolants solides dans des conditions humides
CEI 60664-1:1992, Coordination de l'isolement des matériels dans les systèmes (réseaux) à
basse tension – Partie 1: Principes, prescriptions et essais
Guide 104 de la CEI: 1997, Elaboration des publications de sécurité et utilisation des
publications de sécurité et utilisation des publications fondamentales de sécurité et
publications groupées de sécurité
3 Distances d'isolement
Le claquage des distances d'isolement apparaît habituellement en moins d'une fraction de
microseconde. En tenant compte de cette échelle de temps, une tension alternative à sa fréquence
de fonctionnement possède une amplitude essentiellement constante. Par exemple à 50 Hz,
l'amplitude reste en-deçà de 99 % de sa valeur de crête pendant 1 ms. C'est pourquoi, pendant
l'évolution menant au claquage, c'est la valeur de crête de la tension qui est appliquée. Ceci
résulte normalement de valeurs identiques de tension alternative (crête) et continue (claquage).
A des fréquences plus élevées, une réduction de la valeur de sa tension de crête et aussi un
renversement de sa polarité doivent être pris en compte pendant le claquage. Cet effet
augmentera la tension de claquage.

Jusqu'alors, l'effet des ions (généralement positifs) générés au début du claquage n'a pas été
considéré. Ces ions sont générés à la crête de la sinusoïde et, normalement, ils ont
généralement assez de temps pour transiter vers les électrodes pendant la partie restante de
la demi-sinusoïde. Cependant, il se peut que la polarité s'inverse pour des distances
d'isolement élevées ou à hautes fréquences, avant que les ions aient pu être éliminés de la
distance d'isolement. Ceci se traduira par une distorsion du champ électrostatique et réduira la
2 *.
tension de claquage. La vélocité moyenne de tels ions est environ de 6 × 10 m/s [1] A 50 Hz,
l'intervalle de temps compris entre la crête et le passage à zéro de la sinusoïde étant de 5 ms,
les ions parcourent environ 300 cm pendant ce temps. C'est pourquoi, aux fréquences de
travail, ce problème n'apparaît que pour des distances d'isolement élevées. Cependant, si la
fréquence est augmentée dans la zone du kHz, ce phénomène se produit aussi pour des
distances d'isolement faibles.
________
*
Les chiffres entre crochets se rapportent à l'annexe A (Bibliographie).

60664-4 © IEC:1997 – 11 –
INSULATION COORDINATION OF EQUIPMENT WITHIN

LOW-VOLTAGE SYSTEMS –
Part 4: Consideration of high-frequency voltage stress –

1 Scope
This report deals with insulation subjected to high-frequency voltage stress within low-voltage
equipment. Steady-state voltages with frequencies up to 100 MHz are considered.
NOTE – High-frequency stress due to transient voltages is not considered.
2 Reference documents
IEC 60112:1979, Method for determining the comparative and the proof tracking indices of solid
insulating materials under moist conditions
IEC 60664-1:1992, Insulation coordination for equipment within low-voltage systems – Part 1:
Principles, requirements and tests
IEC guide 104: 1997, The preparation of safety publications and the use of basic safety
publications and group safety publications
3 Clearances
Breakdown of clearances usually occurs in less than one submicrosecond. With respect to that
time scale, an a.c. voltage of power frequency has an essentially constant amplitude. For
instance at 50 Hz, the amplitude remains within 99 % of its peak value for 1 ms. Therefore,
during the development leading to breakdown, the peak value of the voltage is effective. This

normally results in identical a.c. (peak) and d.c. breakdown voltages.
At much higher frequencies, a reduction of the voltage from its peak value and even polarity
reversal have to be taken into account during the development of breakdown. This effect will
result in an increase of the breakdown voltage.
Up to now, the effect of the ions (which are usually positive) which are generated during
inception of breakdown has not been considered. These ions are generated at the crest of the
sine-wave and there is usually enough time for them to travel to the electrodes during the
remaining part of that halfwave. However, in large clearances or at high frequency, the polarity
may be reversed before the ions have been extracted from the clearance. This will result in a
distortion of the electrostatic field and will reduce the breakdown voltage. The average velocity
2 *
of the ions is approximately 6 × 10 m/s [1] . At 50 Hz, the time interval between the crest and
the zero crossing of the sine-wave is 5 ms, resulting in the ions moving approximately 300 cm.
Therefore, at power frequency, this aspect will only be relevant for very large clearances.
However, if the frequency is increased to the kHz range, this phenomenon will also be relevant
for small clearances.
_______
*
The figures in square brackets refer to annex A (Bibliography)

– 12 – 60664-4 © CEI:1997
La superposition de ces deux effets a pour résultat des courbes typiques présentant une

tension minimale de claquage pour une certaine fréquence. Pour des distances d'isolement

dans des champs de distribution homogènes ou approximativement homogènes montrés dans

les figures 1 et 2 [2]. A 25 MHz, une tension de claquage proche de celle à 50 Hz est obtenue.

La figure 2 montre très clairement que la distance d'isolement est un paramètre très important

tenant compte de ce comportement.

En raison des fréquences actuellement utilisées, la gamme de la diminution initiale de la

tension de claquage avec l'augmentation de la fréquence est du plus grand intérêt. Cette
gamme de fréquences jusqu'à plusieurs MHz est décrite en détail ci-après.

Comme le montre la figure 3 [3], pour des distances d'isolement faibles dans l'azote sous
pression atmosphérique, lequel a une tension de claquage comparable à celle de l'air, la
réduction de la tension de claquage peut être de 10 % seulement. Cependant, pour des
fréquences dépassant 1 MHz, cette réduction devient effective pour des distances d'isolement
inférieures à 0,5 mm. Pour des distances d'isolement plus élevées, une plus grande réduction
de la tension de claquage est observée, ce qui est montré en figure 4 [4].
En conclusion, en conditions homogènes ou approximativement homogènes, la réduction
maximale de la tension de claquage est environ de 20 %. La fréquence critique à laquelle la
réduction de la tension de claquage apparaît est approximativement:
f ≈ 0,7/d
crit
où
f est la fréquence critique à laquelle la réduction de la tension de claquage apparaît, en
crit
mégahertz;
d est la distance d'isolement, en millimètres.
Les caractéristiques d'isolation des distances d'isolement homogènes ou approximativement
homogènes dans l'air sous pression atmosphérique en tenant compte de la fréquence peuvent
être synthétisées par les indications suivantes.
– Au-dessus de f , la tension de claquage diminue avec l'augmentation de la fréquence.
crit
La réduction de la tension de claquage peut atteindre 20 %.
– La tension de claquage atteint un minimum à des fréquences comprises entre 1 MHz et
5 MHz. A des fréquences plus élevées, la tension de claquage devient plus élevée et peut
dépasser la valeur mesurée à la fréquence de travail.
Pour des champs non homogènes, f est obtenue approximativement selon la formule    ci-
crit
dessus. Au-dessus de f , l'influence de la fréquence sur la tension de claquage est beaucoup
crit
plus significative. Cela peut être constaté sur la figure 5 [5] pour des distances d'isolement
comparables assez grandes et en un point de l'électrode à 30° en combinaison avec une
électrode plane de 15 cm de diamètre. La réduction de la tension de claquage vis-à-vis de sa
valeur à 50 Hz peut être supérieure de 50 %. Les résultats sont fortement influencés par la
configuration des électrodes. Les tensions de claquage les plus faibles sont mesurées avec
l'électrode plane mise à la terre. En général, il est essentiel d'avoir une distribution du champ
approximativement homogène pour les contraintes de tension à hautes fréquences.

60664-4 © IEC:1997 – 13 –
The superposition of both effects results in typical curves which exhibit a minimum breakdown

voltage for a certain frequency. For clearances with homogeneous and approximately homo-
geneous field distribution, data is shown in figures 1 and 2 [2]. At 25 MHz, the breakdown

voltage is nearly the same as at 50 Hz. Figure 2 shows that the clearance is a very important

parameter with respect to this behaviour.

With respect to the frequencies presently used, the range with the initial decrease of

breakdown voltage with increasing frequency is of greater interest. This frequency range, being

up to several MHz, is described in more detail hereafter.

For small clearances in N at atmospheric pressure, which has similar breakdown characteristics
as air, the reduction of the breakdown voltage may only be 10 %, as shown in figure 3 [3].
However, for frequencies exceeding 1 MHz, the reduction also becomes effective for very small
clearances less than 0,5 mm. For larger clearances there is a greater reduction in the
breakdown voltage, as shown in figure 4 [4].
As a conclusion, for homogeneous and approximately homogeneous conditions, the maximum
reduction of the breakdown voltage with frequency is about 20 %. The critical frequency at
which the reduction of the breakdown voltage occurs is approximately:
f ≈ 0,7/d
crit
where
f is the critical frequency at which the reduction of the breakdown voltage occurs, in
crit
megahertz;
d is the clearance in millimetres.
The insulating characteristics of homogeneous and approximately homogeneous clearances in
air at atmospheric pressure with respect to frequency can be summarized by the following
statements.
– Above f , the breakdown voltage becomes lower with increasing frequency. The reduction
crit
in breakdown voltage may be up to 20 %.
– The breakdown voltage has its minimum at frequencies between 1 MHz and 5 MHz. With
higher frequencies, the breakdown voltage becomes higher and may exceed the value at
power frequency.
For inhomogeneous field conditions, f is still obtained approximately from the equation given.
crit
Above f , the influence of frequency on the breakdown voltage is much more significant. This
crit
can be seen from figure 5 [5] for comparatively large clearances and a 30° point electrode in

combination with a plane electrode of 15 cm diameter. The reduction of the breakdown voltage
with respect to that at 50 Hz can be more than 50 %. The results are strongly influenced by the
electrode configuration. The lowest breakdown voltages were measured with the plane
electrode earthed. As a general rule, it is essential to have approximately homogeneous field
conditions if there is high-frequency voltage stress.

– 14 – 60664-4 © CEI:1997
4 Lignes de fuite
Dans la CEI 60664-1, le cheminement est le seul phénomène pris en compte pour le
dimensionnement des lignes de fuite. Cependant, de récents résultats de recherche [6] ont

montré que cela ne s'applique en général que pour des conditions d'environnement très

sévères et si les matériaux utilisés ne résistent pas au cheminement (voir CEI 60112). Dans

des conditions d'environnement plus favorables, le cheminement ne semble pas être fonction

du dimensionnement. Dans ce cas, cependant, la tension d'amorçage à la surface du matériau

isolant est réduite par la pollution et doit être prise en compte pour le dimensionnement [7].

On ne sait pas si le phénomène de cheminement est influencé par la fréquence de la tension.
Cependant, dans des conditions sévères de pollution ou avec des matériaux à faible CTI, un
dimensionnement faible n'est pas possible et une marge de sécurité doit être prise. Cette
marge de sécurité peut aussi permettre une possible influence de la fréquence sur la capacité
de tenue au cheminement.
Pour des pollutions plus faibles, la tension d'amorçage à la surface de l'isolant semble être prise
en compte pour le dimensionnement et une possible influence de la fréquence doit être
considérée. Cependant, cette influence peut déjà être prise en compte par la dépendance de la
fréquence de la tension de claquage de la distance d'isolement associée définie à l'article 3.
L'influence à long terme de l'humidité peut changer cette situation. Une réduction significative
de la tension de claquage à la surface de l'isolation, plus particulièrement pour des fréquences
plus élevées, apparaît dans de telles conditions. Ceci est essentiellement un problème dû à
l'absorption d'eau à l'intérieur de l'isolant solide et c'est pourquoi ce phénomène est analysé
à l'article 5.
5 Isolation solide
Deux mécanismes de défauts de l'isolation solide sont normalement pris en compte. Un
mécanisme de défaut est dû aux pertes diélectriques à des niveaux de contrainte électrique
élevés. Un échauffement plus important apparaît, pouvant entraîner une instabilité thermique
et un claquage thermique. Ceci a généralement lieu en quelques minutes et peut être
facilement vérifié. De plus, une isolation solide peut comporter des inclusions gazeuses ou des
défauts provoqués soit entre les couches de l'isolation ou à l'interface entre les pièces
isolantes et les pièces conductrices, soit par un usinage imparfait du matériau d'isolation
solide. Dans de telles conditions, des décharges partielles peuvent entraîner un défaut
éventuel de l'isolation solide même si la contrainte diélectrique est suffisamment faible pour ne
pas entraîner un claquage thermique.
Pour l'isolation solide, la fréquence de la tension est un facteur d'influence très important.
La perte diélectrique à une fréquence donnée est obtenue à partir de l'équation suivante:

P = tan δ × 2 π f × U × C
v
où
P est la puissance de dissipation;
v
tan δ est le facteur de perte;
f est la fréquence;
U est la tension appliquée à l'isolation solide;
C est la capacité de la disposition d'isolation.

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4 Creepage distances
In IEC 60664-1, tracking is the only phenomenon taken into account for dimensioning of

creepage distances. However, recent research [6] provides evidence that this does only

apply for very severe environmental conditions, and if the materials used are not resistant

to tracking (see IEC 60112). Under more favourable environmental conditions, tracking does

not seem to be relevant for dimensioning. In this case, the flashover voltage across the surface

of the insulating material is reduced by pollution and has to be taken into account for
dimensioning [7].
It is not known whether tracking is influenced by the frequency of the voltage. However, under
conditions of severe pollution, or for materials having a low comparative tracking index, small
dimensions are not possible, and a safety margin has to be provided. This safety margin may
also allow for a possible influence of frequency on the withstand capability.
For less pollution, the flashover voltage across the surface of the insulation seems to be
relevant for dimensioning and a possible influence of frequency has to be considered.
However, this influence may already be covered by the frequency dependence of the
breakdown voltage of the associated clearance according to clause 3.
Long-term influence of humidity is likely to change this situation. A significant reduction of the
breakdown voltage across insulation surfaces, especially for higher frequencies, occurs under
such conditions. This is mainly a problem caused by water absorption within solid insulation,
and this phenomenon is considered in clause 5.
5 Solid insulation
Two failure mechanisms of solid insulation are normally relevant. One failure mechanism
results from dielectric loss at high electric stress. Increased heating will occur, which may lead
to thermal instability and thermal breakdown. This usually takes place within a few minutes and
can be easily verified. Additionally, solid insulation can include gas gaps or voids, either caused
by different layers of insulation, interfaces between insulating parts and conductive parts, or by
imperfect manufacturing of the insulation material. In such small gaps, partial discharges are
likely to cause eventual failure of solid insulation even if the dielectric stress is sufficiently low
so as not to cause thermal breakdown.
For solid insulation, the frequency of the voltage is a very important influencing factor. The
dielectric loss for a given frequency is obtained from the following equation:
P = tan δ × 2 π f × U × C
v
where
P is the power dissipation;
v
tan δ is the loss factor;
f is the frequency;
U is the voltage across the solid insulation;
C is the capacitance of the insulation arrangement.

– 16 – 60664-4 © CEI:1997
En raison de la dépendance du facteur de perte tan δ avec la fréquence, l'influence de la

fréquence sur la perte diélectrique peut être inférieure ou supérieure à celle pouvant être

obtenue si la dépendance est linéaire. Ceci est dû à une probabilité plus grande de claquage

thermique et à une réduction de la capacité de tenue diélectrique à court terme. Ce phéno-

mène a été testé sur divers matériaux isolants [8]. Les résultats les plus importants sont

indiqués à la figure 6. Pour une fréquence de 1 MHz, l'intensité du champ de claquage à court

terme peut être de seulement 10 % de la fréquence de fonctionnement. L'intensité du champ

de claquage ne semble pas atteindre une limite plus faible même à des fréquences aussi
élevées que 100 MHz.
En général, et particulièrement pour les tensions à hautes fréquences, la rigidité diélectrique

de l'isolation solide est davantage réduite par l'influence de l'humidité et de la température.
L'influence du stockage à long terme sur l'intensité du champ électrique au claquage de
l'isolation solide sous des tensions à hautes fréquences et sous forte humidité est montrée à la
figure 7 [9]. Spécialement pour des résines phénoliques micacées, la réduction de la valeur du
champ électrique au claquage est extraordinairement élevée. Cela semble déjà un problème
grave pour des fréquences industrielles, mais cela s'aggrave davantage pour une augmentation
de fréquence. La raison est la capacité d'absorption plutôt élevée des phénoliques mica chargés,
laquelle est de l'ordre de 1 % du poids dans de telles conditions. Dans les mêmes conditions,
l'absorption d'eau des stratifiés silicone-verre est seulement de 0,3 % de la masse.
L'intensité du champ électrique au claquage de l'isolation solide est fonction de l'épaisseur du
matériau et les films de très faible épaisseur peuvent présenter des intensités du champ élec-
trique au claquage supérieures de l'ordre d'une magnitude à celles des éprouvettes de 0,75
mm d'épaisseur. Ceci est montré à la figure 8 [10]. Avec l'augmentation de la fréquence,
cependant, il existe une réduction significative des valeurs. A 1 MHz, seulement 10 % des
valeurs à 50 Hz sont retrouvées. A de telles hautes fréquences, la tenue des films minces
semble analogue à celle d'éprouvettes d'environ 1 mm d'épaisseur. L'influence de l'épaisseur
du film sur la tension de claquage peut être vue de manière plus détaillée à la figure 9 [10]. Il
existe des indications sur la tension de claquage de films très minces plutôt moins affectés par
la fréquence, mais pour des films de 0,01 mm, il existe une réduction significative.
La figure 10 [11] montre que la valeur du champ au claquage de l'isolation solide à toutes
les fréquences est réduite en plus par l'augmentation de la température. L'influence de
l'augmentation de la température sur la tension de claquage de films minces est montrée à la
figure 11[10], laquelle met en exergue une tendance de la réduction de la tension de claquage
avec l'augmentation de la température et son aggravation avec l'augmentation de la fréquence.
Jusqu'ici, seuls la contrainte à court terme et le claquage thermique ont été considérés. Pour des
contraintes à long terme, des décharges partielles doivent aussi être prises en compte [12].
L'expérience montre que des matériaux isolants de faible épaisseur utilisés dans les matériels
à basse tension ne peuvent résister à de telles décharges pendant de longues périodes. Ceci
signifie qu'aucune décharge partielle ne doit se maintenir en service dans des conditions

établies. Des décharges partielles doivent être attendues sous des contraintes diélectriques
nettement plus faibles que celles provoquant le claquage thermique.
Des résultats détaillés sur les caractéristiques de décharges partielles à hautes fréquences ne
sont valables que pour des fréquences jusqu'à quelques kHz [13, 14]. Dans cette gamme de
fréquences, il a été établi que le temps de défaut provoqué par les décharges partielles est
inversement proportionnel à la fréquence. Ceci a déjà été utilisé par des essais accélérés.
C'est pourquoi, particulièrement pour les hautes fréquences, aucune durée de vie raisonnable
ne peut être définie quand apparaissent des décharges partielles.
Des mesures plus détaillées ont été faites sur des circuits imprimés revêtus. Un des circuits
d'essai utilisé est montré à la figure 12. Un enregistrement typique de l'intensité des décharges
partielles (charge apparente q) est représenté en pointillés à la figure 13 [15].

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Due to the dependence of the loss factor tan δ on frequency, the influence of frequency on the

dielectric loss may be lower or higher than can be expected from the apparent linear

dependency. This results in a higher probability of thermal breakdown and a reduction of the
short-time dielectric withstand capability. This phenomenon has been investigated on different
insulating materials [8]. The most important results are shown in figure 6. For a frequency of

1 MHz, the short-time breakdown field strength may only be 10 % of the power frequency value.

The breakdown field strength does not seem to reach a lower limit even at frequencies as high

as 100 MHz.
The dielectric strength of solid insulation in general, and especially at high-frequency voltage,

is further reduced by the influence of humidity and temperature.
The influence of long-time storage on the breakdown field strength of solid insulation at high-
frequency voltage under high humidity is shown in figure 7 [9]. The reduction of the breakdown
field strength of mica-filled phenolic is extraordinarily high. This is a significant problem at
power frequency, but is further aggravated with increasing frequency. The poor performance of
mica-filled phenolic is caused by its comparatively high water absorption, which was found to
be in the order of 1 % by weight under such conditions. Under the same conditions, the water
absorption of glass-silicone laminate was only 0,
3 % by weight.
The breakdown field strength of solid insulation is a function of the thickness of the material,
and very thin films may have a breakdown field strength one order of magnitude higher than
that of the 0,75 mm test specimen. This is shown in figure 8 [10]. With increasing frequency,
there is a significant reduction of the values. At 1 MHz only approximately 10 % of the 50 Hz
values were found. At such high frequencies, the behaviour of thin films see
...