Safety Standards for Wind Turbines

Safety Standards for
Wind Turbines
Sicherheitsnormen für Windenergieanlagen
K. Boyce, Principal Engineer Manager – Energy at UL LLC
English - Deutsch
Introduction
Einleitung
Across the globe, wind power generation resources contin­
ue to grow. As an example, the United States ranks second
in global wind power, with more than 46.9 GW of wind
power capacity installed as of January 2012 [1]. The U.S.
wind base experienced 17 % growth (6,810 MW) in 2011
and wind power was the source of 25% of all new U.S. elec­
tric generation capacity in 2010. The U.S. Department of
Energy has indicated that wind could supply 20% of the U.S.
electricity by 2030 – requiring some 300 GW of new wind
generating capacity [2].
With this type of rapid development and deployment of
new wind resources, standards become critical for support­
ing consistent market expectations, performance bench­
marks, and fundamental design features - including safety.
While many of the incidents were minor, safety incidents
involving wind turbines over a five-year period in the United
Kingdom were recently reported as occurring at approxi­
mately the rate of one per day [3]. As more wind turbines
are installed, new technologies are introduced to meet mar­
ket and performance objectives, and the existing turbine
population ages, looking to new and evolving safety stan­
dards in the design and development phase provides many
benefits in supporting a safe wind infrastructure.
Die Nutzung der Windenergie verzeichnet weiterhin welt­
weit steigende Zuwachsraten. Die Vereinigten Staaten zum
Beispiel liegen weltweit an zweiter Stelle der Windener­
gienutzung, mit mehr als 46,9 GW installierter Leistung,
Stand Januar 2012 [1]. Die installierte Leistung in den USA
wuchs 2011 um 17 % (6,810 MW), und 25% aller 2010 neu
installierten Stromerzeugungsanlagen in den USA waren
Windenergieanlagen (WEA). Das amerikanische Energiemi­
nisterium hat bekannt gegeben, dass bis 2030 20% des ame­
rikanischen Strombedarfs aus Windenergie gedeckt werden
könnte – was einem Zubau von ca. 300 GW an neuen WEA
entsprechen würde [2].
Angesichts dieser rasanten Entwicklung bei der Aufstellung
neuer Windenergiekapazitäten sind Normen von entschei­
dender Bedeutung, um einheitliche Erwartungen des Mark­
tes sowie Leistungs- und wesentliche Auslegungsmerkmale
zu unterstützen – was auch Sicherheitsaspekte einschließt.
Aus Großbritannien wurde kürzlich berichtet, dass sicher­
heitsrelevante Vorfälle mit WEA, die über einen Zeitraum
von fünf Jahren registriert wurden, mit einer Häufigkeit von
durchschnittlich einem pro Tag auftraten, wenngleich viele
dieser Vorfälle geringfügig waren [3]. Da immer mehr WEA
aufgestellt werden, neue Technologien eingeführt werden,
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DEWI MAGAZIN NO. 41, AUGUST 2012
About UL
UL is a premier global safety science company with more than 100 years of prov­
en history. Employing nearly 9,000 professionals in 46 countries, UL is evolving
the future of safety with five distinct business units – Product Safety, Environ­
ment, Life & Health, Verification and Knowledge Services – to meet the expand­
ing needs of customers and the global public. For more information on UL’s fam­
ily of companies and network of 95 laboratory, testing and certification facilities,
go to UL.com.
Über UL:
UL (Underwriters Laboratories) ist ein weltweit führendes und unabhängiges
Prüf- und Sicherheitsunternehmen, das auf eine über hundertjährige Unterneh­
mensgeschichte zurückblickt. Das Unternehmen beschäftigt an die 9000 Fach­
kräfte in 46 Ländern und verfügt über fünf eigenständige Unternehmensberei­
che - Product Safety, Environment, Life and Health, Verification and Knowledge
Services - um die ständig wachsenden Anforderungen von Kunden und unsere
Verpflichtung zur öffentlichen Sicherheit zu erfüllen. Weitere Informationen zu
UL sind auf UL.com verfügbar.
International Electrotechnical Commission Standards
The International Electrotechnical Commission (IEC) has
published the IEC 61400 series of standards to help estab­
lish these types of standardized expectations. IEC 61400-1,
Wind Turbines - Design Requirements, outlines minimum
design requirements for wind turbines. The standard “speci­
fies essential design requirements to ensure the engineer­
ing integrity of wind turbines. Its purpose is to provide an
appropriate level of protection against damage from all haz­
ards during the planned lifetime.” [4] The standard is a
holistic document that covers many aspects of the design,
installation, and use of sophisticated electromechanical
equipment, and IEC 61400-1 is supplemented by numerous
parts to focus on specific design or performance aspects, or
types of wind turbine equipment and installations; for
example, IEC 61400-2, Wind turbines – Design requirements
for small wind turbines. However, it is notable that of over
90 pages of requirements in IEC 61400-1, approximately five
focus on electrical safety of the equipment, controls and
protection. In those few pages, IEC 61400-1 does identify
the need to evaluate most critical aspects of a wind turbine:
electrical aspects, control system functions, protection sys­
tem functions and critical components. However, as the IEC
61400 documents are written today, they do not provide
um den Anforderungen des Marktes und der Leistungsfä­
higkeit gerecht zu werden, und gleichzeitig die bestehenden
Anlagen allmählich altern, ist die Entwicklung neuer und die
Verbesserung bestehender Sicherheitsnormen für die Ent­
wurfs- und Entwicklungsphase von großer Bedeutung für
eine sichere Windinfrastruktur.
IEC Normen
Die Internationale Elektrotechnische Kommission (IEC) hat
mit der IEC 61400 eine Normenreihe herausgegeben, die
dazu beitragen soll, diesen Normierungsbedarf zu erfüllen.
IEC 61400-1, Wind Turbines - Design Requirements, ent­
hält Mindestanforderungen für die Auslegung von WEA.
Die Norm behandelt die wesentlichen Auslegungsanforde­
rungen zur Gewährleistung der technischen Integrität von
Windenergieanlagen (WEA). Der Zweck der Norm besteht
darin, „für einen angemessenen Schutz gegen Schäden aus
Risiken während der geplanten Lebensdauer zu sorgen.” [4]
Bei dieser Norm handelt es sich um ein ganzheitliches Doku­
ment, das viele Aspekte der Auslegung, der Installation und
des Einsatzes von hochentwickelten elektromechanischen
Komponenten abdeckt. Die IEC 61400-1 wird ergänzt durch
weitere Teile, die besondere Auslegungs- oder Leistungsas­
pekte oder bestimmte Arten von WEA-Komponenten oder
DEWI MAGAZIN NO. 41, AUGUST 2012
7
Fig. 1:
Abb. 1: DEWI test site for measurements on pro­
totypes in the North of Wilhelmshaven
DEWI Testfeld zur Prototypenvermessung
im Norden Wilhelmshavens
detailed guidance on how to adequately evaluate these
critical aspects.
Safety Standards for the U.S. Market
In order to help support a safe deployment of wind turbine
system infrastructure during this projected period of rapid
and significant growth, UL has led the development of
national standards addressing the safety of wind turbine
systems, with a focus on the electrical safety, performance
of the controls and protection systems as well as prevention
of fire within the equipment. These efforts recognize that
there are some fundamental differences between the instal­
lation requirements of the IEC 60364 series and the prevail­
ing U.S. codes such as ANSI/NFPA 70-2011, the National
Electrical Code (NEC), and differences in other require­
ments. As a result, two wind turbine safety standards have
been developed: UL 6141, Standard for Safety for Large
Wind Turbine Systems, and UL 6142, Standard for Safety for
Small Wind Turbine Systems. Each of these standards have
been developed through a standards technical panel com­
prised of equipment producers, users, technology experts,
scientists, regulatory authorities, and other technical experts
with an interest in these specific products. The standards
have been developed using a consensus-based approach,
and at this time both standards have achieved the required
support within the panels to establish consensus. UL 6142 is
proceeding to publication and will be the American National
Standard for safety of small wind turbines. Although it has
reached consensus and is eligible for publication, UL is
working with the standards panel to review and finalize the
final details of requirements contained within UL 6141 in an
effort to optimize the standard content. That process is
expected to conclude rapidly and UL anticipates publication
of UL 6141 as an American National Standard shortly.
Because these requirements will constitute the American
National Standards for safety, assuring compliance with the
requirements for exporters, buyers, owner/operators and
other involved parties is an important measure for demon­
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DEWI MAGAZIN NO. 41, AUGUST 2012
Anlagen behandeln, wie z.B. IEC 61400-2, Wind turbines –
Design requirements for small wind turbines. Es ist jedoch
bemerkenswert, dass von über 90 Seiten Anforderungen der
IEC 61400-1, nur etwa fünf Seiten sich mit der elektrischen
Sicherheit von Komponenten, Steuerungen und Schutzvor­
richtungen befassen. Auf diesen wenigen Seiten wird in der
IEC 61400-1 zwar die Notwendigkeit einer Bewertung der
wichtigsten Aspekte einer WEA aufgezeigt, nämlich die elek­
trischen Aspekte, Steuerungs- und Regelungsfunktionen,
Schutzmaßnahmen und kritische Komponenten; die zur Zeit
vorliegende Fassung der IEC 61400-Normenreihe bietet je­
doch keine ausreichende Grundlage für eine angemessene
Bewertung dieser kritischen Aspekte.
Sicherheitsnormen für den amerikanischen Markt
Um einen Beitrag zum sicheren Einsatz von Windenergie­
anlagen in dieser Zeit des erwarteten schnellen und bedeu­
tenden Wachstums zu leisten, hat UL die Entwicklung natio­
naler Normen für die Sicherheit von WEA vorangetrieben,
vorrangig in den Bereichen elektrische Sicherheit, Steuerung
und Schutzvorrichtungen sowie Brandschutz innerhalb der
Anlage. Diese Bemühungen berücksichtigen, dass es zwi­
schen den Anlagenanforderungen der IEC 60364-Reihe und
den vorhandenen U.S.-Vorschriften wie z.B. ANSI/NFPA 702011, National Electrical Code (NEC), und anderen Anforde­
rungen grundlegende Unterschiede gibt. Es wurden daher
zwei WEA-Sicherheitsnormen entwickelt: UL 6141, Standard
for Safety for Large Wind Turbine Systems, und UL 6142,
Standard for Safety for Small Wind Turbine Systems. Beide
Normen wurden durch ein technisches Komitee entwickelt,
das aus Herstellern, Nutzern, Technologieexperten, Wissen­
schaftlern, Behördenvertretern und anderen technischen
Experten mit einem Interesse an diesen speziellen Produk­
ten besteht. Die Normen werden nach einem auf Konsens
beruhenden Verfahren erarbeitet, und inzwischen haben
beide Normen die erforderliche Unterstützung in den Komi­
tees, damit ein Konsens erzielt werden kann. UL 6142 wird
demnächst veröffentlicht und ist dann die gültige amerikani­
strating due diligence in addressing workplace and con­
sumer safety, supporting easy equipment installation and
acceptance, and establishing confidence among custom­
ers. Based on the critical role of these standards for the
U.S. market, the following overview provides significant
aspects of the requirements for design and testing.
These standards focus on the safety of the wind turbine
systems. However, they do not cover mechanical or struc­
tural integrity of the wind turbine system or subassem­
blies, or verification that the manufacturer-defined con­
trols and protection limits maintain the system within its
safe mechanical and structural limits. The WT power, con­
trol and protection systems are evaluated only to the
extent that they function within the manufacturer’s
specified limits and response times. These control and
protection functions are evaluated with respect to risk of
electric shock and fire. It is intended that the electrical
subassemblies that address power transfer control and
protection functions evaluated per this document are to
be coordinated with the mechanical and structural limita­
tions specified in established performance and safety
standards, such as the IEC 61400 series documents. They
do not cover turbines for off-shore installation.
Both standards contain fundamental requirements relat­
ed to wind turbine safety. These include:
Each supply source (generally the generator and the
power system) shall be provided with a lockable dis­
connect or other locking means that positively pre­
vents the startup and operation of the circuit. Also,
lockable disconnects are required for specific equip­
ment that requires repair or maintenance with the
main supplies energized. A disconnect device must be
suitable for that use, open all ungrounded conductors,
and be marked to identify its use.
Manual shutdown switches and/or procedures for the
turbine are required. For most equipment, manual
shutdown shall result in standstill of the rotor and yaw
motion and de-energization of the turbine power out­
put. Large turbines are required to have a shutdown
switch and procedure. Small wind turbine swept area
of 40 m² or more must have a shutdown switch; small
turbines with a swept area less than 40 m² may use
either a manual shutdown switch or procedures,
resulting in an idle state with the output power circuit
de-energized and the turbine is stopped or allowed to
rotate at a slower speed.
An emergency stop must be provided or specified.
The emergency stop must override all other functions
and operations in all modes, and remove power to
hazardous moving parts as quickly as possible without
creating other hazards (for example, rotors pitching to
reduce hub rotation). Resetting shall not restart the
machinery but only permit restarting, and shall not
initiate any hazardous conditions.
Wind turbines rated for grid interconnection are
evaluated for safe operation over the manufacturer’s
specified limits of operation. Unless specifically
marked to indicate otherwise, a turbine manufacturer
may choose to have their product additionally evalu­
ated and certified for compliance with individual or
multiple specific grid interconnection standards and
Quality by know-how
For 22 years, DEWI has been active in the
field of wind energy and has been closely
involved in the rapid development of wind
energy, in applied research as well as in
the development of measuring methods,
political decision-making or in numerous
tasks and services connected with wind
turbines and wind farms. Based on this
long-term experience and the knowledge
obtained by continuous research, DEWI
GmbH and DEWI-OCC, together with the
increased resources gained from becoming
UL companies, can offer their international
clientele a wide range of services and
certifications.
As one of the leading international
consultants in the field of wind energy,
DEWI offers all kinds of wind energy related
measurement services, energy analyses
and studies, on-/offshore wind turbine and
component certification, further education,
technological and economical consultancy
for industry, wind farm developers and
banks. DEWI GmbH is a member of
MEASNET for certain measurements and is
recognized as an independent institution in
various measurement and expertise fields.
www.dewi.de / www.ul.com
DEWI MAGAZIN
NO. 41, AUGUST 2012
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Fig. 2:
Abb. 2:
UL testing laboratory
UL Prüflabor
codes. These evaluations may include zero voltage ride
through, low voltage ride through, and/or high voltage
ride through. These requirements may be as defined by
the Federal Energy Regulatory Commission (FERC) and
North American Electric Reliability Corporation (NERC)
for transmission-level interconnected turbines and/or
the IEEE 1547 standards for distribution-level turbine
connections. Converter or inverter equipment shall con­
form to applicable performance requirements for safety
and connectivity, specifically UL 1741, Standard for
Safety for Inverters, Converters, Controllers and Interconnection System Equipment for Use With Distributed
Energy Resources. Wind turbines shall comply with all
UL 1741 tests during all normal operational modes
including, but not limited to, generation sub-synchro­
nous, synchronous, super-synchronous and active power
factor correction if provided with these functions.
Systems shall be protected from unintentional self-exci­
tation during all foreseeable loading and unloading con­
ditions (including loss of grid connection if applicable),
under both normal and single-fault conditions.
Cables are evaluated for applicable requirements regard­
ing insulation electrical and fire ratings, insulation integ­
rity, and resistance to degradation from external con­
taminants such as oil or water as applicable. Additionally,
if operation of the wind turbine may result in twisting of
flexible cables, such as the connecting cables between
the nacelle and tower, a cable drip loop is required to
mitigate damage to conductors or their insulation.
Components, such as power distribution and control
equipment, cabling, and energy storage systems, are
required to conform to applicable safety requirements.
However, recognizing that some wind turbines are rated
for 690 V or higher operation, and that applicable stan­
dards and Codes such as the NEC do not yet cover this
range or contain significantly different requirements for
equipment operating at voltages higher than 600 V, the
standards contain measures to facilitate use of existing
subassembly equipment at the use voltage. These mea­
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DEWI MAGAZIN NO. 41, AUGUST 2012
sche Norm (American National Standard) für die Sicherheit
kleiner WEA. In Bezug auf die Norm UL 6141, für die eben­
falls ein Konsens erzielt wurde, und die bereit ist zur Ver­
öffentlichung, arbeitet UL noch mit dem Normenausschuss
zusammen, um die letzten Einzelheiten der Anforderungen
zu prüfen und endgültig festzulegen, in dem Bemühen, die
Normeninhalte zu optimieren. Dieser Prozess wird in Kürze
zum Abschluss kommen, und UL erwartet, dass die UL 6141
bald als American National Standard veröffentlicht wird.
Da diese Anforderungen nationale amerikanische Sicher­
heitsnormen darstellen, ist die Sicherstellung der Erfüllung
dieser Anforderungen für Exporteure, Käufer, Eigentümer/
Betreiber und andere Beteiligte eine wichtige Maßnahme,
um die gebotene Sorgfalt im Arbeitsplatz- und Verbrau­
cherschutz zu demonstrieren, für eine einfache Errichtung
und Abnahme der Anlagen zu sorgen und Kundenvertrauen
herzustellen. Aufgrund der Bedeutung, die diese Normen
für den amerikanischen Markt haben, werden in dem fol­
genden Text die wichtigsten Aspekte der Anforderungen für
Auslegung und Prüfung dargestellt.
Diese Normen konzentrieren sich auf die Sicherheit von
Windenergieanlagen. Sie decken jedoch nicht die mechani­
sche Sicherheit oder Standsicherheit (strukturelle Sicherheit)
der WEA oder ihrer Baugruppen ab, auch nicht die Überprü­
fung, dass die vom Hersteller festgelegten Grenzwerte für
Regelung und Schutz ausreichen, um die Anlage innerhalb
sicherer mechanischer und struktureller Grenzwerte zu
halten. Die Leistungs-, Steuerungs- und Schutzsysteme der
WEA werden nur dahingehend bewertet, dass sie innerhalb
der vom Hersteller festgelegten Grenzwerte und Reaktions­
zeiten funktionieren. Diese Steuerungs- und Schutzfunktio­
nen werden im Hinblick auf die Risiken Elektrischer Schlag
und Feuer bewertet. Die elektrischen Baugruppen, die die
Steuerung der Leistungsübertragung und Schutzfunktionen
ansprechen, sollen mit den mechanischen und strukturellen
Grenzwerten koordiniert werden, die in vorhandenen Leis­
tungs- und Sicherheitsnormen wie der IEC 61400 festgelegt
sind. WEA für den Offshore-Einsatz werden durch diese Nor­
men nicht abgedeckt.
sures would not necessitate equipment redesign or
substitution, but rather use a focused testing approach
to assess key performance aspects at the use voltages.
Lightning Protection Systems shall comply with NFPA
780, Standard for Installation of Lightning Protection
Systems and IEC 61400-24, Wind Turbine Generator Systems – Lightning protection.
Equipment within the lightning protection system shall
comply with the applicable product safety standards.
Markings and instructions are required to convey key
rating, safety, installation, and operational information.
UL 6142 covers small wind turbines for which a user or ser­
vice person cannot or is not intended to enter the turbine to
operate it or perform maintenance, with rated output of
1500 V ac maximum. The standard addresses compatibility
of equipment with the installation safety requirements of
the National Electrical Code (NEC), ANSI/NFPA 70-2011. This
includes compliance with Article 694 for turbines with rated
power up to 100 kW, Article 705 for Interconnected Electric
Power Production Sources, as well as critical safety features
such as conductor and equipment protection and ground­
ing.
UL 6141 covers large wind turbines for which a user or ser­
vice person may, or is intended to, enter the turbine to oper­
ate it or perform maintenance. UL 6141 addresses compat­
ibility of equipment with the installation safety require­
ments of ANSI/IEEE C2, the National Electrical Safety Code
(NESC) and the NEC as applicable. For the NEC, this includes
compliance with critical safety features such as working
space, conductor and equipment protection, grounding and
Article 705 for Interconnected Electric Power Production
Sources. For large wind turbines, there are some additional
requirements unique to these larger products. These
include:
Flame spread ratings are required for large polymeric
sections in internal areas where users or service persons
are intended to enter the turbine. Materials, such as the
walls of a nacelle, with any single unbroken section
greater than 0.93 m² or a single linear dimension greater
than 1.83 m, shall have a maximum flame spread index
of 25 and smoke developed index of 50, consistent with
requirements in NFPA 90, Standard for the Installation of
Air-Conditioning and Ventilating Systems and the Inter­
national Mechanical Code.
Medium voltage equipment shall comply with applicable
requirements, such as IEEE C37.20.3, Standard for Metal-Enclosed Interrupter Switchgear, and IEEE C57.12.00,
General Requirements for Liquid-Immersed Distribution,
Power, and Regulating Transformers.
Harmonization Initiatives
The publication of these standards is a milestone in support­
ing the safe deployment of wind turbine generating systems
in the U.S. market. However, as a global organization, UL
focuses on supporting global realization of our public safety
Mission and supporting our global customer base in distri­
bution of their products. With these objectives in mind,
there are several initiatives that are either underway or may
be pursued in the future.
Beide Normen enthalten wesentliche Anforderungen für die
Sicherheit von Windenergieanlagen. Diese umfassen:
Jede Spannungsquelle (im Allgemeinen der Generator
und die Stromversorgung) ist mit einer abschließbaren
Trennvorrichtung oder einer anderen Verriegelung zu
versehen, die einen (unbeabsichtigten) Start oder
Betrieb des Stromkreises sicher verhindert. Abschließ­
bare Trennvorrichtungen sind auch für Einrichtungen
und Geräte erforderlich, die eine Reparatur oder War­
tung bei eingeschalteter Stromversorgung erfordern.
Die Abschaltvorrichtung muss für diesen Zweck geeignet
sein, muss alle nicht geerdeten Leiter öffnen und ent­
sprechend gekennzeichnet sein.
Manuelle Abschaltvorrichtungen und/oder Abschaltvor­
gänge für die WEA sind erforderlich. Bei den meisten
Anlagen führt die manuelle Abschaltung zu einem Still­
stand des Rotors und des Azimutantriebes und zu einer
Abschaltung der Leistungsabgabe. Große WEA müssen
eine Trennvorrichtung und einen Abschaltvorgang
haben. Kleine WEA mit einer vom Rotor überstrichenen
Fläche von 40 m² und mehr müssen mit einer Trennvor­
richtung versehen sein; kleine WEA mit einer überstri­
chenen Fläche von weniger als 40 m² können eine
manuelle Abschaltung oder einen Abschaltvorgang ver­
wenden, mit der die Anlage in den Leerlauf versetzt und
der Leistungsabgabe-Stromkreis getrennt wird; die Anla­
ge wird gestoppt oder dreht nur noch langsam.
Eine Notabschaltung ist vorzusehen oder zu spezifizie­
ren. Die Notabschaltung muss alle anderen Funktionen
und Vorgänge in allen Betriebsarten außer Kraft setzen
und die Spannungszufuhr zu gefährlichen beweglichen
Teilen so schnell wie möglich unterbrechen ohne dadurch
andere Gefahren zu verursachen (zum Beispiel Verstel­
len der Rotorblätter um Nabenrotation abzubremsen).
Durch Rücksetzen soll die Maschine nicht sofort wieder
starten, sondern es soll nur ein Neustart ermöglicht wer­
den, ohne dass dadurch gefährliche Situationen entste­
hen.
WEA, die für einen Netzanschluss vorgesehen sind, wer­
den nach den Spezifikationen des Herstellers für einen
sicheren Betrieb bewertet. Sofern nicht ausdrücklich
anders vorgesehen, kann ein WEA-Hersteller nach sei­
nem Ermessen sein Produkt zusätzlich prüfen und zerti­
fizieren lassen, damit es bestimmten einzelnen oder
mehreren Netzanschlussregeln entspricht. Diese Prüfun­
gen können auch das Verhalten von WEA bei Netzkurz­
schlüssen (Zero Voltage Ride Through (ZVRT), Low Volta­
ge Ride Through (LVRT), und/oder High Voltage Ride
Through (HVRT) umfassen. Diese Anforderungen sind in
den Federal Energy Regulatory Commission (FERC) und
North American Electric Reliability Corporation (NERC)
für Turbinen mit Netzanschluss auf Übertragungsebene
und/oder den IEEE 1547-Normen für Turbinen mit Netz­
anschluss auf Verteilungsebene enthalten. Umformer
und Wechselrichter müssen den entsprechenden Anfor­
derungen für Sicherheit und Anschlussfähigkeit, speziell
UL 1741, Standard for Safety for Inverters, Converters,
Controllers and Interconnection System Equipment for
Use With Distributed Energy Resources (Sicherheitsnorm
für Wechselrichter, Umrichter, Steuer- und Anschlussein­
richtungen in Energieverteilungssystemen) entsprechen.
DEWI MAGAZIN NO. 41, AUGUST 2012
11
First, UL has integrated key concepts from, or references to,
IEC standards into these national standards where relevant.
This was performed with the intention of bridging the gap
between the IEC standards and the prevailing requirements
in applicable U.S. standards and installation codes. For
example, safety related controls system requirements are
coordinated with IEC 61400 requirements, and additional
requirements for the performance of the integrated equip­
ment were added based on prevailing local issues. This
approach allows the use of relevant approaches from the
IEC standards while ensuring that significant local issues are
addressed in a holistic and comprehensive manner.
Additionally, UL is very active in IEC Technical Committees to
support the development of the best worldwide require­
ments for safety and performance. UL has agreed to partici­
pate in a collaborative effort to work with IEC TC 88 in the
further development and enhancement of the IEC 61400
requirements for electrical safety. This initiative will draw on
the efforts of the standards panels that have generated the
requirements of UL 6141 and UL 6142, with appropriate
modifications made to reflect the global nature of the IEC
61400-1 requirements. In the past, such efforts have been
very successful in the renewable energy sector, with bene­
fits being seen in standards work on products such as solar
power and inverters. Such efforts allow the best efficiency
and outcome of the IEC standards development process,
allowing balanced consideration while leveraging existing,
relevant content in the development process.
In the future, harmonization of the U.S. national standards
with the IEC 61400 requirements is also an option. UL looks
to international harmonization as an important effort in
supporting global product development and distribution,
where the relevant industries and UL are supportive of the
need for the effort. As the wind industry continues to refine
product offerings and market strategies, additional consid­
eration will be given to the benefits of harmonization.
Summary
As the global wind infrastructure sustains rapid growth,
compliance with relevant standards provide validation of
design principles and establish due diligence in addressing
critical attributes such as safety. The IEC 61400 series of
standards provides important information for addressing
safety and performance of wind turbine systems. Efforts to
address unique issues within the United States market has
led to development of two safety standards, UL 6141 for
large wind turbines and UL 6142 for small wind turbines.
These standards, which are being published as American
National Standards, contain key safety requirements for the
electrical system, electrical safety and controls system, grid
connection, and related safety issues. In the future, collab­
orative efforts will lead to continued exchange of best prac­
tices and opportunities for broader harmonization.
Development of these standards, and their use by the
manufacturing community in design and development of
wind turbine products, supports maximal safety and perfor­
mance of the burgeoning wind infrastructure.
12
DEWI MAGAZIN NO. 41, AUGUST 2012
Windturbinen müssen alle Prüfungen der UL 1741 in
jedem normalen Betriebsmodus erfüllen, einschließlich,
aber nicht beschränkt auf, untersynchrone, synchrone,
übersynchrone Erzeugung und Wirkleistungsfaktor-Kor­
rektur, sofern mit diesen Funktionen ausgestattet.
Systeme sind gegen unbeabsichtigte Selbsterregung in
allen vorhersehbaren Lade- und Entladezuständen zu
schützen (einschließlich ggf. Verlust des Netzanschlus­
ses), sowohl unter normalen Bedingungen als auch bei
Einzelfehlern.
Zu prüfende Anforderungen bei Kabeln sind Isolierung,
Brandschutzklasse, Unversehrtheit der Isolierung und
Beständigkeit gegen Einwirkung durch externe Fremd­
stoffe wie Öl oder Wasser. Außerdem, wenn es durch
den Betrieb der Windenergieanlage zu einem Verdrehen
von flexiblen Kabeln, wie z.B. den Verbindungsleitungen
zwischen Gondel und Turm kommt, so ist eine Kabel­
schleife (Loop) erforderlich, um Schäden an den Leitern
oder ihrer Isolierung zu mindern.
Komponenten, wie Stromverteilungs- und Steuerungs­
einrichtungen, Leitungen und Energiespeichersysteme
müssen entsprechende Sicherheitsanforderungen erfül­
len. Da jedoch einige Windturbinen für 690 V und höher
ausgelegt sind und die entsprechenden Normen und
Vorschriften wie z.B. NEC diesen Bereich noch nicht
abdecken bzw. deutlich abweichende Anforderungen für
Anlagen, die mit Spannungen von mehr als 600 V arbei­
ten, enthalten, werden Maßnahmen vorgesehen um die
Verwendung von vorhandenen Baugruppen bei Betriebs­
spannung zu ermöglichen. Aufgrund dieser Maßnahmen
ist es nicht erforderlich, Einrichtungen neu auszulegen
oder zu ersetzen, sondern stattdessen mit einem geziel­
ten Prüfansatz wichtige Leistungsaspekte bei Betriebs­
spannung zu prüfen.
Blitzschutzeinrichtungen müssen die Normen NFPA 780,
Standard for Installation of Lightning Protection Systems
und IEC 61400-24, Wind Turbine Generator Systems –
Lightning protection erfüllen.
Einrichtungen innerhalb der Blitzschutzanlagen müssen
den Anforderungen der gültigen Produktsicherheitsnor­
men entsprechen.
Kennzeichnungen und Hinweise sind erforderlich, um
wichtige Bewertungen, Sicherheits- Einbau- und Bedie­
nungsinformationen zu geben.
Die UL 6142 betrifft kleine WEA mit Nennleistungen von
max. 1500 V AC, die vom Betreiber oder Servicetechniker
nicht betreten werden kann oder soll, um sie zu bedienen
oder Wartungsarbeiten durchzuführen. Die Norm befasst
sich mit der Vereinbarkeit von Anlagen mit den Sicherheits­
anforderungen des National Electrical Code (NEC), ANSI/
NFPA 70-2011. Dies beinhaltet die Übereinstimmung mit
den Vorschriften von Artikel 694 für WEA mit einer Nenn­
leistung bis 100 kW, Artikel 705 für Energieerzeugungsanla­
gen mit Netzanschluss, sowie wichtige Sicherheitselemente
wie Leiter- und Anlagenschutz und Erdung.
Die UL 6141 betrifft große WEA die vom Betreiber oder
Servicetechniker betreten werden kann oder soll, um sie
zu bedienen oder Wartungsarbeiten durchzuführen. Die UL
6141 befasst sich mit der Vereinbarkeit von Anlagen mit den
Sicherheitsanforderungen der ANSI/IEEE C2, des National
Electrical Safety Code (NESC) bzw. des NEC. In Bezug auf den
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cherheitselementen wie Arbeitsraum, Leiter- und Anlagen­
schutz, Erdung sowie Artikel 705 für Energieerzeugungsan­
lagen mit Netzanschluss. Für große WEA gibt es noch einige
besondere Anforderungen, die nur für diese gelten. Dazu
gehören:
Begrenzte Flammenausbreitung ist gefordert für große
Polymer-Flächen in Innenräumen, die von Betreibern
oder Servicetechnikern betreten werden dürfen oder
sollen. Materialien, wie z.B. Gondelwände, die mindes­
tens eine ununterbrochene Fläche von mehr als 0.93 m²
oder mindestens eine Längenausdehnung von mehr als
1.83 m aufweisen, müssen einen Index für begrenzte
Flammenausbreitung von maximal 25 und einen Rauch­
entwicklungsindex von 50 aufweisen, entsprechend den
Anforderungen der NFPA 90, der Norm für den Einbau
von Klima- und Lüftungsanlagen und des International
Mechanical Code.
Mittelspannungsanlagen müssen den geltenden Anfor­
derungen wie z.B. IEEE C37.20.3, Standard for MetalEnclosed Interrupter Switchgear, und IEEE C57.12.00,
General Requirements for Liquid-Immersed Distribution,
Power, and Regulating Transformers entsprechen
Initiativen zur Harmonisierung
Die Herausgabe dieser Normen wird maßgeblich dazu bei­
tragen, den sicheren Einsatz von Windenergieanlagen auf
dem amerikanischen Markt voranzubringen. Als weltweit
tätige Organisation geht es UL jedoch vorrangig darum, die
öffentliche Sicherheit weltweit zu fördern und unsere Kun­
den in aller Welt beim Absatz ihrer Produkte zu unterstüt­
zen. Im Hinblick auf diese Ziele gibt es verschiedene Initiati­
ven, die teilweise schon begonnen wurden, teilweise für die
Zukunft geplant sind.
Als erstes hat UL wichtige Konzepte aus IEC Normen in die
nationalen Normen eingebracht oder auf diese verwiesen.
Dies geschah in der Absicht, die Lücke zwischen den IECNormen und den aktuellen Anforderungen in den gelten­
den US-Normen und Vorschriften zu schließen. Zum Beispiel
werden sicherheitsrelevante Anforderungen an Steuersys­
teme mit den Anforderungen der IEC 61400 koordiniert,
und zusätzliche Anforderungen an integrierte Einrichtungen
wurde hinzugefügt auf der Grundlage aktueller lokaler Pro­
bleme. Dieser Ansatz ermöglicht die Verwendung relevan­
ter Vorgehensweisen aus den IEC-Normen und stellt dabei
sicher, dass lokalen Interessen in einer ganzheitlichen und
umfassenden Weise berücksichtigt werden.
Darüber hinaus wirkt UL aktiv in den technischen Komitees
des IEC mit, um die Entwicklung optimaler weltweiter An­
forderungen an Sicherheit und Leistung zu unterstützen.
UL hat sich bereit erklärt, mit dem IEC TC 88 zusammen zu
arbeiten, um die Anforderungen für elektrische Sicherheit
der IEC 61400 weiter zu entwickeln. Diese Initiative stützt
sich auf die Ergebnisse, die in den Normenausschüssen für
die UL 6141 und UL 6142 erzielt wurden, mit den entspre­
chenden Anpassungen, um dem globalen Geltungsbereich
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DEWI MAGAZIN NO. 41, AUGUST 2012
der IEC 61400-1-Anforderungen Rechnung zu tragen. In der
Vergangenheit waren solche Bemühungen sehr erfolgreich
auf dem Gebiet der erneuerbaren Energien und haben sich
vorteilhaft auf Normen und Richtlinien für Produkte wie
Solaranlagen und Wechselrichter ausgewirkt. Ein solches
Verfahren verspricht auch die besten Ergebnisse für den
Entwicklungsprozess der IEC-Normen, indem es ausgewoge­
ne Berücksichtigung aller Belange und gleichzeitige Einbrin­
gung der vorhandenen Inhalte in den Entwicklungsprozess
ermöglicht.
Ein weiteres Ziel in der Zukunft ist die Harmonisierung der
nationalen amerikanischen Normen mit den Anforderungen
der IEC 61400. UL betrachtet die internationale Harmonisie­
rung als wichtigen Beitrag zur Förderung einer weltweiten
Produktentwicklung und Produktvertriebs, insoweit als die
entsprechenden Branchen und UL die Notwendigkeit dieser
Bemühungen unterstützen. In dem Maße wie die Windin­
dustrie ihre Produkte und Marktstrategien weiterentwickelt,
wird das Bewusstsein für die Vorteile der Harmonisierung
wachsen.
Zusammenfassung
Angesichts des rasanten Wachstums der globalen Windinf­
rastruktur ist es sehr wichtig, die entsprechenden Normen
einzuhalten, Auslegungskriterien zu validieren und die gebo­
tene Sorgfalt bei kritischen Elementen wie Sicherheit walten
zu lassen. Die Normenreihe IEC 61400 enthält wichtige An­
gaben zur Sicherheit und Leistungsfähigkeit von Windener­
gie­anlagen. Bemühungen, spezifische Probleme des ameri­
kanischen Marktes aufzugreifen, haben zu der Entwicklung
von zwei Sicherheitsnormen geführt, UL 6141 für große
WEA und UL 6142 für kleine WEA. Diese Normen, die als
American National Standards herausgegeben werden, ent­
halten wichtige Sicherheitsanforderungen für elektrische
Systeme, elektrische Sicherheits- und Steuereinrichtungen,
Netzanschluss und ähnliche Sicherheitsbelange. In Zukunft
werden gemeinsame Bemühungen zu einem ständigen Aus­
tausch von bewährten Verfahren und Gelegenheiten für
eine breitere Harmonisierung führen. Die Entwicklung die­
ser Normen und ihre Verwendung durch die Hersteller bei
Auslegung und Entwicklung von Windturbinen werden für
höchste Sicherheit und Leistungsfähigkeit der boomenden
Wind-Infrastruktur sorgen.
References / Literatur:
[1]U.S. Wind Industry: Fourth Quarter 2011 Market Report, January 2012;
American Wind Energy Association, www.awea.org.
[2]20% Wind Energy by 2030, Increasing Wind Energy’s Contribution to
U.S. Electrical Supply, December 2008; U.S. Department of Energy,
Energy Efficiency and Renewable Energy, www.eere.energy.gov/win­
dandhydro.
[3]Malnick E. and Mendick R., “1,500 accidents and incidents on UK wind
farms”, The Telegraph, December 11, 2011.
[4]IEC Publication 61400-1, Third Edition, March 2007; International Elec­
trotechnical Commission, Geneva Switzerland.