Insulation co-ordination - Part 2: Application guide

IEC 60071-2:1996 gives guidance for the determination of the rated withstand voltages for ranges I and II of IEC 60071-1 and justifies the association of these rated values with the standardized highest voltages for equipment. It covers phase-to-phase, phase-to-earth and longitudinal insulation of three-phase systems with nominal voltages above 1kV. It has the status of a horizontal standard in accordance with IEC Guide 108.

Coordination de l'isolement - Partie 2: Guide d'application

La CEI 60071-2:1996 donne des recommandations pour la détermination des tensions de tenue assignées pour les gammes I et II de la CEI 60071-1 et justifie l'association de ces valeurs assignées avec les valeurs normalisées des tensions les plus élevées pour le matériel. Traite de l'isolement phase-terre, entre phases et longitudinal des réseaux triphasés de tension nominale supérieure à 1 kV. Elle a le statut de norme horizontale conformément au Guide IEC 108.

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18-Dec-1996
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IEC 60071-2:1996 - Insulation co-ordination - Part 2: Application guide Released:12/19/1996
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INTERNATIONAL IEC
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60071-2
Third edition
1996-12
Insulation co-ordination –
Part 2:
Application guide
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Consolidated editions
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publication incorporating amendment 1 and the base publication incorporating
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thus ensuring that the content reflects current technology. Information relating to this
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the subjects under consideration and work in progress undertaken by the technical
committee which has prepared this publication, as well as the list of publications
issued, is also available from the following:
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1996-12
Insulation co-ordination –
Part 2:
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71-2 © IEC: 1996 – 3 –
CONTENTS
Page
FOREWORD . 9

Clause
1 General. 11

1.1 Scope . 11

1.2 Normative references .11

1.3 List of symbols and definitions . 13

2 Representative voltage stresses in service. 21

2.1 Origin and classification of voltage stresses . 21
2.2 Characteristics of overvoltage protective devices. 23
2.3 Representative voltages and overvoltages. 27
3 Co-ordination withstand voltage . 57
3.1 Insulation strength characteristics . 57
3.2 Performance criterion. 65
3.3 Insulation co-ordination procedures. 67
4 Required withstand voltage . 83
4.1 General remarks . 83
4.2 Atmospheric correction . 83
4.3 Safety factors . 87
5 Standard withstand voltage and testing procedures . 91
5.1 General remarks . 91
5.2 Test conversion factors. 93
5.3 Determination of insulation withstand by type tests . 95
6 Special considerations for overhead lines. 103
6.1 General remarks . 103
6.2 Insulation co-ordination for operating voltages and temporary overvoltages . 103
6.3 Insulation co-ordination for slow-front overvoltages . 105
6.4 Insulation co-ordination for lightning overvoltages. 105
7 Special considerations for substations . 107
7.1 General remarks . 107
7.2 Insulation co-ordination for overvoltages . 111
Tables
1 Recommended creepage distances . 71
2 Test conversion factors for range I, to convert required switching impulses withstand
voltages to short-duration power-frequency and lightning impulse withstand voltages . 93
3 Test conversion factors for range II to convert required short-duration power-frequency
withstand voltages to switching impulse withstand voltages. 95
4 Selectivity of test procedures B and C of IEC 60-1 . 99
A.1 Correlation between standard lightning impulse withstand voltages and minimum air
clearances . 119
A.2 Correlation between standard switching impulse withstand voltages and
minimum phase-to-earth air clearances . 121
A.3 Correlation between standard switching impulse withstand voltages and
minimum phase-to-phase air clearances. 121
C.1 Breakdown voltage versus cumulative flashover probability – Single insulation
and 100 parallel insulations . 135

71-2 © IEC: 1996 – 5 –
F.1 Corona damping constant K . 175
co
F.2 Factor A for various overhead lines. 185

G.1 Typical gap factors K for switching impulse breakdown phase-to-earth. 195

G.2 Gap factors for typical phase-to-phase geometries. 197

H.1 Summary of minimum required withstand voltages obtained for example H.1.1. 213

H.2 Summary of required withstand voltages obtained for example H.1.2 . 217

H.3 Values related to the insulation co-ordination procedure for example H.3 . 249

Figures
1 Range of 2 % slow-front overvoltages at the receiving end due to line energization
and re-energization. 39
2 Ratio between the 2 % values of slow-front overvoltages phase-to-phase and
phase-to-earth. 41
3 Diagram for surge arrester connection to the protected object. 55
4 Distributive discharge probability of self-restoring insulation described
on a linear scale . 73
5 Disruptive discharge probability of self-restoring insulation described
on a Gaussian scale . 73
6 Evaluation of deterministic co-ordination factor K . 75
cd
7 Evaluation of the risk of failure. 77
8 Risk of failure of external insulation for slow-front overvoltages as a function of
the statistical co-ordination factor K . 81
cs
9 Dependence of exponent m on the co-ordination switching impulse withstand voltage . 87
10 Probability P of an equipment to pass the test dependent on the difference K
between the actual and the rated impulse withstand voltage. 99
11 Example of a schematic substation layout used for the overvoltage stress location
(see 7.1) . 1 07
B.1 Earth-fault factor k on a base of X /X for R /X = R = 0 . 125
0 1 1 1
B.2 Relationship between R /X and X /X for constant values of earth-fault factor k
0 1 0 1
where R = 0 . 125
B.3 Relationship between R /X et X /X for constant values of earth-fault factor k
0 1 0 1
where R = 0,5 X . 127
1 1
B.4 Relationship between R /X et X /X for constant values of earth-fault factor k
0 1 0 1
where R = X . 127
1 1
B.5 Relationship between R /X et X /X for constant values of earth-fault factor k
0 1 0 1
where R = 2X . 129
1 1
C.1 Conversion chart for the reduction of the withstand voltage due to placing insulation
configurations in parallel. 139
D.1 Example for bivariate phase-to-phase overvoltage curves with constant probability
density and tangents giving the relevant 2 % values. 151
D.2 Principle of the determination of the representative phase-to-phase overvoltage U . 153
pre
D.3 Schematic phase-phase-earth insulation configuration . 153
D.4 Description of the 50 % switching impulse flashover voltage of a phase-phase-earth
insulation. 155

71-2 © IEC: 1996 – 7 –
D.5 Inclination angle of the phase-to-phase insulation characteristic in range b dependent

on the ratio of the phase-phase clearance D to the height Ht above earth. 157

E.1 Distributed capacitances of the windings of a transformer and the equivalent circuit
describing the windings . 169

E.2 Values of factor J describing the effect of the winding connections on the inductive

surge transference . 171

Annexes
A Clearances in air to assure a specified impulse withstand voltage installation. 115

B Determination of temporary overvoltages due to earth faults . 123

C Weibull probability distributions. 131
D Determination of the representative slow-front overvoltage due to line energization
and re-energization. 141
E Transferred overvoltages in transformers. 159
F Lightning overvoltages. 173
G Calculation of air gap breakdown strength from experimental data . 187
H Examples of insulation co-ordination procedure . 199
J Bibliography . 251

71-2 © IEC: 1996 – 9 –
INTERNATIONAL ELECTROTECHNICAL COMMISSION

––––––––––
INSULATION CO-ORDINATION –
Part 2: Application guide
FOREWORD
1) The IEC (International Electrotechnical Commission) is a worldwide organization for standardization comprising
all national electrotechnical committe
...


NORME CEI
INTERNATIONALE
60071-2
Troisième édition
1996-12
Coordination de l’isolement –
Partie 2:
Guide d’application
Cette version française découle de la publication d’origine
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Les numéros de page manquants sont ceux des pages
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Numéro de référence
CEI 60071-2:1996(F)
Numérotation des publications
Depuis le 1er janvier 1997, les publications de la CEI sont numérotées à partir de

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

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

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

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

Informations supplémentaires
sur les publications de la CEI
Le contenu technique des publications de la CEI est constamment revu par la CEI
afin qu'il reflète l'état actuel de la technique. Des renseignements relatifs à cette
publication, y compris sa validité, sont disponibles dans le Catalogue des
publications de la CEI (voir ci-dessous) en plus des nouvelles éditions, amende-
ments et corrigenda. Des informations sur les sujets à l’étude et l’avancement des
travaux entrepris par le comité d’études qui a élaboré cette publication, ainsi que la
liste des publications parues, sont également disponibles par l’intermédiaire de:
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Coordination de l’isolement –
Partie 2:
Guide d’application
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– 2 – 71-2 © CEI: 1996
SOMMAIRE
Pages
AVANT-PROPOS. 8

Articles
1 Généralités. 10

1.1 Domaine d’application. 10

1.2 Références normatives. 10

1.3 Liste des symboles et définitions . 12

2 Contraintes de tension représentatives en service. 20
2.1 Origine et classification des contraintes de tension. 20
2.2 Caractéristiques des dispositifs de protection contre les surtensions . 22
2.3 Tensions et surtensions représentatives. 26
3 Tension de tenue de coordination . 56
3.1 Caractéristiques de tenue de l’isolation . 56
3.2 Critère de performance . 64
3.3 Procédures de coordination de l'isolement . 66
4 Tension de tenue spécifiée . 82
4.1 Remarques générales . 82
4.2 Correction atmosphérique . 82
4.3 Facteurs de sécurité . 86
5 Tension de tenue normalisée et procédures d’essais. 90
5.1 Remarques générales . 90
5.2 Facteurs de conversion d'essai . 92
5.3 Détermination de la tenue de l'isolement par des essais de type . 94
6 Points particuliers concernant les lignes aériennes. 102
6.1 Remarques générales . 102
6.2 Coordination de l'isolement vis-à-vis des tensions d'exploitation et
des surtensions temporaires . 102
6.3 Coordination de l'isolement vis-à-vis des surtensions à front lent. 104
6.4 Coordination de l'isolement vis-à-vis des surtensions de foudre . 104
7 Points particuliers concernant les postes. 106
7.1 Remarques générales . 106
7.2 Coordination de l'isolement vis-à-vis des surtensions. 110
Tableaux
1 Lignes de fuite recommandées . 70
2 Facteurs de conversion d’essai pour la gamme I, pour convertir les tensions de tenue
spécifiées au choc de manoeuvre en tensions de tenue à fréquence industrielle de
courte durée et en choc de foudre . 92
3 Facteurs de conversion d’essai pour la gamme II, pour convertir les tensions de tenue
spécifiées à fréquence industrielle de courte durée en tension de tenue au choc
de manoeuvre. 94
4 Sélectivité des procédures d’essai B et C de la CEI 60-1 . 98
A.1 Relation entre les tensions normalisées de tenue au choc de foudre et les distances
d’air minimales. 118
A.2 Relation entre les tensions normalisées de tenue au choc de manoeuvre et les
distances d’air phase-terre minimales. 120
A.3 Relation entre les tensions normalisées de tenue au choc de manoeuvre et les
distances d’air phase-phase minimales . 120
C.1 Tension d’amorçage en fonction de la probabilité d’amorçage – Isolation unique
et 100 isolations en parallèle . 134

– 4 – 71-2 © CEI: 1996
F.1 Constante d’amortissement par effet couronne K . 174
co
F.2 Facteur A pour différents types de lignes aériennes . 184

G.1 Facteurs d’intervalles K typiques pour l’amorçage phase-terre au choc de manoeuvre . 194

G.2 Facteur d’intervalle pour des géométries phase-phase typiques . 196

H.1 Résumé des tensions de tenue spécifiées minimales pour l’exemple H.1.1 . 212

H.2 Résumé des tensions de tenue spécifiées minimales pour l’exemple H.1.2 . 216

H.3 Valeurs relatives à la procédure de coordination de l’isolement pour l’exemple H.3 . 248

Figures
1 Plages de valeurs à 2 % des surtensions à front lent en extrémité de ligne dues à
l’enclenchement ou au réenclenchement . 38
2 Rapport entre les valeurs à 2 % des surtensions à front lent entre phases
et phase-terre. 40
3 Schéma du raccordement d’un parafoudre à l’objet protégé . 54
4 Probabilité de décharge disruptive d’une isolation autorégénératrice sur
une échelle linéaire . 72
5 Probabilité de décharge disruptive d’une isolation autorégénératrice sur une échelle
gaussienne. 72
6 Evaluation du facteur de coordination déterministe K . 74
cd
7 Evaluation du risque de défaillance. 76
8 Risque de défaillance de l’isolation externe pour les surtensions à front lent
en fonction du facteur de coordination statistique K . 80
cs
9 Relation entre l’exposant m et la tension de tenue de coordination au choc
de manoeuvre . 86
10 Probabilité P qu’un matériel ait un comportement satisfaisant en essai en fonction de la
différence K entre les tensions de tenue aux chocs réelle et assignée . 98
11 Exemple de disposition schématique de poste utilisé pour la localisation
des contraintes (voir 7.1) . 106
B.1 Facteur de défaut à la terre k en fonction de X /X pour R /X = R = 0. 124
0 1 1 1
B.2 Relation entre R /X et X /X pour des valeurs constantes du facteur de défaut
0 1 0 1
k lorsque R = 0. 124
à la terre
B.3 Relation entre R /X et X /X pour des valeurs constantes du facteur de défaut
0 1 0 1
à la terre k lorsque R = 0,5 X . 126
1 1
B.4 Relation entre R /X et X /X pour des valeurs constantes du facteur de défaut
0 1 0 1
à la terre k lorsque R = X . 126
1 1
B.5 Relation entre R /X et X /X pour des valeurs constantes du facteur de défaut
0 1 0 1
à la terre k lorsque R = 2X . 128
1 1
C.1 Graphique de conversion donnant la réduction de la tension de tenue pour
des intervalles d’air (destinés à assurer l’isolement) en parallèle. 138
D.1 Exemple de courbes de surtensions entre phases à deux variables pour une même
fonction de répartition de probabilité et des tangentes donnant les valeurs 2 %
correspondantes. 150
D.2 Principe de détermination de la surtension représentative entre phases U . 152
pre
D.3 Configuration schématique de l’isolation phase-phase-terre . 152
D.4 Description de la tension d’amorçage 50 % phase-phase-terre en onde de manoeuvre. 154

– 6 – 71-2 © CEI: 1996
D.5 Angle d’inclinaison de la caractéristique de l’isolation entre phases dans la gamme b

en fonction du rapport de la distance entre phases D à la hauteur

au-dessus du sol Ht. 156

E.1 Capacités réparties des enroulements d’un transformateur et circuit équivalent

décrivant les enroulements . 168

E.2 Valeurs du facteur J décrivant l’effet du couplage des enroulements sur la transmission
des surtensions par voie inductive. 170

Annexes
A Distances dans l’air assurant une tension spécifiée de tenue aux chocs dans
une installation . 114
B Détermination des surtensions temporaires dues à des défauts à la terre. 122
C Loi de probabilité de Weibull. 130
D Détermination de la surtension représentative à front lent due à l’enclenchement
ou au réenclenchement d’une ligne. 140
E Surtensions transmises dans les transformateurs . 158
F Surtensions dues à la foudre . 172
G Calcul de la tenue diélectrique des intervalles d’air à part
...


NORME
CEI
INTERNATIONALE
IEC
71-2
INTERNATIONAL
Troisième édition
STANDARD
Third edition
1996-12
Coordination de l’isolement –
Partie 2:
Guide d’application
Insulation co-ordination –
Part 2:
Application guide
Numéro de référence
Reference number
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Validité de la présente publication Validity of this publication

Le contenu technique des publications de la CEI est cons- The technical content of IEC publications is kept under

tamment revu par la CEI afin qu'il reflète l'état actuel de constant review by the IEC, thus ensuring that the content

la technique. reflects current technology.

Des renseignements relatifs à la date de reconfirmation de Information relating to the date of the reconfirmation of the

la publication sont disponibles auprès du Bureau Central de publication is available from the IEC Central Office.

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 peuvent editions and amendments may be obtained from IEC

être obtenus auprès des Comités nationaux de la CEI et National Committees and from the following IEC

dans les documents ci-dessous: sources:

• Bulletin de la CEI • IEC Bulletin
• Annuaire de la CEI • IEC Yearbook
Publié annuellement Published yearly
• Catalogue des publications de la CEI • Catalogue of IEC publications
Publié annuellement et mis à jour régulièrement Published yearly with regular updates
Terminologie Terminology
En ce qui concerne la terminologie générale, le lecteur se For general terminology, readers are referred to IEC 50:
reportera à la CEI 50: Vocabulaire Electrotechnique Inter- International Electrotechnical Vocabulary (IEV), which is
national (VEI), qui se présente sous forme de chapitres issued in the form of separate chapters each dealing
séparés traitant chacun d'un sujet défini. Des détails with a specific field. Full details of the IEV will be
complets sur le VEI peuvent être obtenus sur demande. supplied on request. See also the IEC Multilingual
Voir également le dictionnaire multilingue de la CEI. Dictionary.
Les termes et définitions figurant dans la présente publi- The terms and definitions contained in the present publi-
cation ont été soit tirés du VEI, soit spécifiquement cation have either been taken from the IEV or have been
approuvés aux fins de cette publication. specifically approved for the purpose of this publication.
Symboles graphiques et littéraux Graphical and letter symbols
Pour les symboles graphiques, les symboles littéraux et les For graphical symbols, and letter symbols and signs
signes d'usage général approuvés par la CEI, le lecteur approved by the IEC for general use, readers are referred to
consultera: publications:
– la CEI 27: Symboles littéraux à utiliser en – IEC 27: Letter symbols to be used in electrical
électro-technique; technology;
– la CEI 417: Symboles graphiques utilisables – IEC 417: Graphical symbols for use on
sur le matériel. Index, relevé et compilation des equipment. Index, survey and compilation of the
feuilles individuelles; single sheets;
– la CEI 617: Symboles graphiques pour schémas; – IEC 617: Graphical symbols for diagrams;
et pour les appareils électromédicaux, and for medical electrical equipment,

– la CEI 878: Symboles graphiques pour – IEC 878: Graphical symbols for electromedical
équipements électriques en pratique médicale. equipment in medical practice.
Les symboles et signes contenus dans la présente publi- The symbols and signs contained in the present publication
cation ont été soit tirés de la CEI 27, de la CEI 417, de la have either been taken from IEC 27, IEC 417, IEC 617
CEI 617 et/ou de la CEI 878, soit spécifiquement approuvés and/or IEC 878, or have been specifically approved for the
aux fins de cette publication. purpose of this publication.
Publications de la CEI établies par le IEC publications prepared by the same
même comité d'études technical committee
L'attention du lecteur est attirée sur les listes figurant à la fin The attention of readers is drawn to the end pages of this
de cette publication, qui énumèrent les publications de la publication which list the IEC publications issued by the
CEI préparées par le comité d'études qui a établi la technical committee which has prepared the present
présente publication. publication.

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Coordination de l’isolement –
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SOMMAIRE
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AVANT-PROPOS. 8

Articles
1 Généralités. 10

1.1 Domaine d’application. 10

1.2 Références normatives. 10

1.3 Liste des symboles et définitions . 12

2 Contraintes de tension représentatives en service. 20
2.1 Origine et classification des contraintes de tension. 20
2.2 Caractéristiques des dispositifs de protection contre les surtensions . 22
2.3 Tensions et surtensions représentatives. 26
3 Tension de tenue de coordination . 56
3.1 Caractéristiques de tenue de l’isolation . 56
3.2 Critère de performance . 64
3.3 Procédures de coordination de l'isolement . 66
4 Tension de tenue spécifiée . 82
4.1 Remarques générales . 82
4.2 Correction atmosphérique . 82
4.3 Facteurs de sécurité . 86
5 Tension de tenue normalisée et procédures d’essais. 90
5.1 Remarques générales . 90
5.2 Facteurs de conversion d'essai . 92
5.3 Détermination de la tenue de l'isolement par des essais de type . 94
6 Points particuliers concernant les lignes aériennes. 102
6.1 Remarques générales . 102
6.2 Coordination de l'isolement vis-à-vis des tensions d'exploitation et
des surtensions temporaires . 102
6.3 Coordination de l'isolement vis-à-vis des surtensions à front lent. 104
6.4 Coordination de l'isolement vis-à-vis des surtensions de foudre . 104
7 Points particuliers concernant les postes. 106
7.1 Remarques générales . 106
7.2 Coordination de l'isolement vis-à-vis des surtensions. 110
Tableaux
1 Lignes de fuite recommandées . 70
2 Facteurs de conversion d’essai pour la gamme I, pour convertir les tensions de tenue
spécifiées au choc de manoeuvre en tensions de tenue à fréquence industrielle de
courte durée et en choc de foudre . 92
3 Facteurs de conversion d’essai pour la gamme II, pour convertir les tensions de tenue
spécifiées à fréquence industrielle de courte durée en tension de tenue au choc
de manoeuvre. 94
4 Sélectivité des procédures d’essai B et C de la CEI 60-1 . 98
A.1 Relation entre les tensions normalisées de tenue au choc de foudre et les distances
d’air minimales. 118
A.2 Relation entre les tensions normalisées de tenue au choc de manoeuvre et les
distances d’air phase-terre minimales. 120
A.3 Relation entre les tensions normalisées de tenue au choc de manoeuvre et les
distances d’air phase-phase minimales . 120
C.1 Tension d’amorçage en fonction de la probabilité d’amorçage – Isolation unique
et 100 isolations en parallèle . 134

71-2 © IEC: 1996 – 3 –
CONTENTS
Page
FOREWORD . 9

Clause
1 General. 11

1.1 Scope . 11

1.2 Normative references .11

1.3 List of symbols and definitions . 13

2 Representative voltage stresses in service. 21

2.1 Origin and classification of voltage stresses . 21
2.2 Characteristics of overvoltage protective devices. 23
2.3 Representative voltages and overvoltages. 27
3 Co-ordination withstand voltage . 57
3.1 Insulation strength characteristics . 57
3.2 Performance criterion. 65
3.3 Insulation co-ordination procedures. 67
4 Required withstand voltage . 83
4.1 General remarks . 83
4.2 Atmospheric correction . 83
4.3 Safety factors . 87
5 Standard withstand voltage and testing procedures . 91
5.1 General remarks . 91
5.2 Test conversion factors. 93
5.3 Determination of insulation withstand by type tests . 95
6 Special considerations for overhead lines. 103
6.1 General remarks . 103
6.2 Insulation co-ordination for operating voltages and temporary overvoltages . 103
6.3 Insulation co-ordination for slow-front overvoltages . 105
6.4 Insulation co-ordination for lightning overvoltages. 105
7 Special considerations for substations . 107
7.1 General remarks . 107
7.2 Insulation co-ordination for overvoltages . 111
Tables
1 Recommended creepage distances . 71
2 Test conversion factors for range I, to convert required switching impulses withstand
voltages to short-duration power-frequency and lightning impulse withstand voltages . 93
3 Test conversion factors for range II to convert required short-duration power-frequency
withstand voltages to
...

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