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Introduction
Across the globe, wind power generation resources continue 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. electric 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 supporting consistent market expectations, performance benchmarks, and fundamental design features including safety. While many of the incidents were minor, safety incidents involving wind turbines over a fiveyear period in the United Kingdom were recently reported as occurring at approximately the rate of one per day [3]. As more wind turbines are installed, new technologies are introduced to meet market and performance objectives, and the existing turbine population ages, looking to new and evolving safety standards in the design and development phase provides many benefits in supporting a safe wind infrastructure.
K. Boyce, Principal Engineer Manager – Energy at UL LLC
ENGLISH - DEUTSCH
Sicherheitsnormen für Windenergieanlagen
Safety Standards for Wind Turbines
Einleitung
Die Nutzung der Windenergie verzeichnet weiterhin weltweit steigende Zuwachsraten. Die Vereinigten Staaten zum Beispiel liegen weltweit an zweiter Stelle der Windenergienutzung, 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 Energieministerium hat bekannt gegeben, dass bis 2030 20% des amerikanischen 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 entscheidender Bedeutung, um einheitliche Erwartungen des Marktes sowie Leistungs und wesentliche Auslegungsmerkmale zu unterstützen – was auch Sicherheitsaspekte einschließt. Aus Großbritannien wurde kürzlich berichtet, dass sicherheitsrelevante 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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International Electrotechnical Commission Standards
The International Electrotechnical Commission (IEC) has published the IEC 61400 series of standards to help establish these types of standardized expectations. IEC 614001, Wind Turbines - Design Requirements, outlines minimum design requirements for wind turbines. The standard “specifies essential design requirements to ensure the engineering integrity of wind turbines. Its purpose is to provide an appropriate level of protection against damage from all hazards 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 614001 is supplemented by numerous parts to focus on specific design or performance aspects, or types of wind turbine equipment and installations; for example, IEC 614002, Wind turbines – Design requirements for small wind turbines. However, it is notable that of over 90 pages of requirements in IEC 614001, approximately five focus on electrical safety of the equipment, controls and protection. In those few pages, IEC 614001 does identify the need to evaluate most critical aspects of a wind turbine: electrical aspects, control system functions, protection system functions and critical components. However, as the IEC 61400 documents are written today, they do not provide
um den Anforderungen des Marktes und der Leistungsfähigkeit gerecht zu werden, und gleichzeitig die bestehenden Anlagen allmählich altern, ist die Entwicklung neuer und die Verbesserung bestehender Sicherheitsnormen für die Entwurfs 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 614001, Wind Turbines - Design Requirements, enthält Mindestanforderungen für die Auslegung von WEA. Die Norm behandelt die wesentlichen Auslegungsanforderungen 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 Dokument, das viele Aspekte der Auslegung, der Installation und des Einsatzes von hochentwickelten elektromechanischen Komponenten abdeckt. Die IEC 614001 wird ergänzt durch weitere Teile, die besondere Auslegungs oder Leistungsaspekte oder bestimmte Arten von WEA-Komponenten oder
About UL UL is a premier global safety science company with more than 100 years of proven history. Employing nearly 9,000 professionals in 46 countries, UL is evolving the future of safety with five distinct business units – Product Safety, Environment, Life & Health, Verification and Knowledge Services – to meet the expanding needs of customers and the global public. For more information on UL’s family 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 Unternehmensgeschichte zurückblickt. Das Unternehmen beschäftigt an die 9000 Fachkräfte in 46 Ländern und verfügt über fünf eigenständige Unternehmensbereiche - 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.
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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 installation requirements of the IEC 60364 series and the prevailing U.S. codes such as ANSI/NFPA 702011, the National Electrical Code (NEC), and differences in other requirements. 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 comprised 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 consensusbased 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
Anlagen behandeln, wie z.B. IEC 614002, Wind turbines – Design requirements for small wind turbines. Es ist jedoch bemerkenswert, dass von über 90 Seiten Anforderungen der IEC 614001, nur etwa fünf Seiten sich mit der elektrischen Sicherheit von Komponenten, Steuerungen und Schutzvorrichtungen befassen. Auf diesen wenigen Seiten wird in der IEC 614001 zwar die Notwendigkeit einer Bewertung der wichtigsten Aspekte einer WEA aufgezeigt, nämlich die elektrischen Aspekte, Steuerungs- und Regelungsfunktionen, Schutzmaßnahmen und kritische Komponenten; die zur Zeit vorliegende Fassung der IEC 61400Normenreihe bietet jedoch keine ausreichende Grundlage für eine angemessene Bewertung dieser kritischen Aspekte.
Sicherheitsnormen für den amerikanischen Markt
Um einen Beitrag zum sicheren Einsatz von Windenergieanlagen in dieser Zeit des erwarteten schnellen und bedeutenden 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 zwischen den Anlagenanforderungen der IEC 60364Reihe und den vorhandenen U.S.-Vorschriften wie z.B. ANSI/NFPA 70-2011, National Electrical Code (NEC), und anderen Anforderungen grundlegende Unterschiede gibt. Es wurden daher zwei WEASicherheitsnormen 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, Wissenschaftlern, Behördenvertretern und anderen technischen Experten mit einem Interesse an diesen speziellen Produkten besteht. Die Normen werden nach einem auf Konsens beruhenden Verfahren erarbeitet, und inzwischen haben beide Normen die erforderliche Unterstützung in den Komitees, damit ein Konsens erzielt werden kann. UL 6142 wird demnächst veröffentlicht und ist dann die gültige amerikani
Fig. 1: DEWI test site for measurements on prototypes in the North of Wilhelmshaven
Abb. 1: DEWI Testfeld zur Prototypenvermessung im Norden Wilhelmshavens
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strating due diligence in addressing workplace and consumer safety, supporting easy equipment installation and acceptance, and establishing confidence among customers. 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 structural integrity of the wind turbine system or subassemblies, or verification that the manufacturerdefined controls and protection limits maintain the system within its safe mechanical and structural limits. The WT power, control 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 limitations specified in established performance and safety standards, such as the IEC 61400 series documents. They do not cover turbines for offshore installation.Both standards contain fundamental requirements related to wind turbine safety. These include:
Each supply source (generally the generator and the power system) shall be provided with a lockable disconnect or other locking means that positively prevents the startup and operation of the circuit. Also, lockable disconnects are required for specific equipment 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 deenergization of the turbine power output. 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 deenergized 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 evaluated and certified for compliance with individual or multiple specific grid interconnection standards and
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.
Quality by know-how
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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 transmissionlevel interconnected turbines and/or the IEEE 1547 standards for distributionlevel turbine connections. Converter or inverter equipment shall conform to applicable performance requirements for safety and connectivity, specifically UL 1741, Standard for Safety for Inverters, Converters, Controllers and Inter-connection 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 subsynchronous, synchronous, supersynchronous and active power factor correction if provided with these functions.Systems shall be protected from unintentional selfexcitation during all foreseeable loading and unloading conditions (including loss of grid connection if applicable), under both normal and singlefault conditions.Cables are evaluated for applicable requirements regarding insulation electrical and fire ratings, insulation integrity, and resistance to degradation from external contaminants 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 standards 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
sche Norm (American National Standard) für die Sicherheit kleiner WEA. In Bezug auf die Norm UL 6141, für die ebenfalls ein Konsens erzielt wurde, und die bereit ist zur Veröffentlichung, 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 Sicherheitsnormen 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 Verbraucherschutz 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 folgenden 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 mechanische Sicherheit oder Standsicherheit (strukturelle Sicherheit) der WEA oder ihrer Baugruppen ab, auch nicht die Überprüfung, 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 Reaktionszeiten funktionieren. Diese Steuerungs- und Schutzfunktionen 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 Leistungs und Sicherheitsnormen wie der IEC 61400 festgelegt sind. WEA für den Offshore-Einsatz werden durch diese Normen nicht abgedeckt.
Fig. 2: UL testing laboratoryAbb. 2: UL Prüflabor
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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 6140024, Wind Turbine Generator Sys-tems – 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 service 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 702011. 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 grounding.UL 6141 covers large wind turbines for which a user or service person may, or is intended to, enter the turbine to operate it or perform maintenance. UL 6141 addresses compatibility of equipment with the installation safety requirements 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 AirConditioning and Ventilating Systems and the International Mechanical Code.Medium voltage equipment shall comply with applicable requirements, such as IEEE C37.20.3, Standard for Met-al-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 supporting 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 distribution 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. Abschließbare Trennvorrichtungen sind auch für Einrichtungen und Geräte erforderlich, die eine Reparatur oder Wartung bei eingeschalteter Stromversorgung erfordern. Die Abschaltvorrichtung muss für diesen Zweck geeignet sein, muss alle nicht geerdeten Leiter öffnen und entsprechend gekennzeichnet sein. Manuelle Abschaltvorrichtungen und/oder Abschaltvorgänge für die WEA sind erforderlich. Bei den meisten Anlagen führt die manuelle Abschaltung zu einem Stillstand 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 Trennvorrichtung versehen sein; kleine WEA mit einer überstrichenen Fläche von weniger als 40 m² können eine manuelle Abschaltung oder einen Abschaltvorgang verwenden, mit der die Anlage in den Leerlauf versetzt und der LeistungsabgabeStromkreis getrennt wird; die Anlage wird gestoppt oder dreht nur noch langsam.Eine Notabschaltung ist vorzusehen oder zu spezifizieren. 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 Verstellen der Rotorblätter um Nabenrotation abzubremsen). Durch Rücksetzen soll die Maschine nicht sofort wieder starten, sondern es soll nur ein Neustart ermöglicht werden, ohne dass dadurch gefährliche Situationen entstehen.WEA, die für einen Netzanschluss vorgesehen sind, werden nach den Spezifikationen des Herstellers für einen sicheren Betrieb bewertet. Sofern nicht ausdrücklich anders vorgesehen, kann ein WEAHersteller nach seinem Ermessen sein Produkt zusätzlich prüfen und zertifizieren lassen, damit es bestimmten einzelnen oder mehreren Netzanschlussregeln entspricht. Diese Prüfungen können auch das Verhalten von WEA bei Netzkurzschlüssen (Zero Voltage Ride Through (ZVRT), Low Voltage 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 1547Normen für Turbinen mit Netzanschluss auf Verteilungsebene enthalten. Umformer und Wechselrichter müssen den entsprechenden Anforderungen 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 Anschlusseinrichtungen in Energieverteilungssystemen) entsprechen.
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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 equipment 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 requirements for safety and performance. UL has agreed to participate 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 614001 requirements. In the past, such efforts have been very successful in the renewable energy sector, with benefits 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 consideration 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, collaborative efforts will lead to continued exchange of best practices 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 performance of the burgeoning wind infrastructure.
Windturbinen müssen alle Prüfungen der UL 1741 in jedem normalen Betriebsmodus erfüllen, einschließlich, aber nicht beschränkt auf, untersynchrone, synchrone, übersynchrone Erzeugung und WirkleistungsfaktorKorrektur, sofern mit diesen Funktionen ausgestattet.Systeme sind gegen unbeabsichtigte Selbsterregung in allen vorhersehbaren Lade und Entladezuständen zu schützen (einschließlich ggf. Verlust des Netzanschlusses), 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 Fremdstoffe 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 Kabelschleife (Loop) erforderlich, um Schäden an den Leitern oder ihrer Isolierung zu mindern.Komponenten, wie Stromverteilungs und Steuerungseinrichtungen, Leitungen und Energiespeichersysteme müssen entsprechende Sicherheitsanforderungen erfüllen. 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 arbeiten, enthalten, werden Maßnahmen vorgesehen um die Verwendung von vorhandenen Baugruppen bei Betriebsspannung zu ermöglichen. Aufgrund dieser Maßnahmen ist es nicht erforderlich, Einrichtungen neu auszulegen oder zu ersetzen, sondern stattdessen mit einem gezielten Prüfansatz wichtige Leistungsaspekte bei Betriebsspannung zu prüfen. Blitzschutzeinrichtungen müssen die Normen NFPA 780, Standard for Installation of Lightning Protection Systems und IEC 6140024, Wind Turbine Generator Systems – Lightning protection erfüllen.
Einrichtungen innerhalb der Blitzschutzanlagen müssen den Anforderungen der gültigen Produktsicherheitsnormen entsprechen.Kennzeichnungen und Hinweise sind erforderlich, um wichtige Bewertungen, Sicherheits Einbau und Bedienungsinformationen 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 Sicherheitsanforderungen des National Electrical Code (NEC), ANSI/NFPA 70-2011. Dies beinhaltet die Übereinstimmung mit den Vorschriften von Artikel 694 für WEA mit einer Nennleistung bis 100 kW, Artikel 705 für Energieerzeugungsanlagen 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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der IEC 614001Anforderungen 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 IECNormen, indem es ausgewogene Berücksichtigung aller Belange und gleichzeitige Einbringung 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 Harmonisierung 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 Windindustrie ihre Produkte und Marktstrategien weiterentwickelt, wird das Bewusstsein für die Vorteile der Harmonisierung wachsen.
Zusammenfassung
Angesichts des rasanten Wachstums der globalen Windinfrastruktur ist es sehr wichtig, die entsprechenden Normen einzuhalten, Auslegungskriterien zu validieren und die gebotene Sorgfalt bei kritischen Elementen wie Sicherheit walten zu lassen. Die Normenreihe IEC 61400 enthält wichtige Angaben zur Sicherheit und Leistungsfähigkeit von Windenergie anlagen. Bemühungen, spezifische Probleme des amerikanischen 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, enthalten wichtige Sicherheitsanforderungen für elektrische Systeme, elektrische Sicherheits und Steuereinrichtungen, Netzanschluss und ähnliche Sicherheitsbelange. In Zukunft werden gemeinsame Bemühungen zu einem ständigen Austausch von bewährten Verfahren und Gelegenheiten für eine breitere Harmonisierung führen. Die Entwicklung dieser Normen und ihre Verwendung durch die Hersteller bei Auslegung und Entwicklung von Windturbinen werden für höchste Sicherheit und Leistungsfähigkeit der boomenden WindInfrastruktur 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 614001, Third Edition, March 2007; International Elec
trotechnical Commission, Geneva Switzerland.
NEC beinhaltet dies die Übereinstimmung mit wichtigen Sicherheitselementen wie Arbeitsraum, Leiter und Anlagenschutz, Erdung sowie Artikel 705 für Energieerzeugungsanlagen mit Netzanschluss. Für große WEA gibt es noch einige besondere Anforderungen, die nur für diese gelten. Dazu gehören:
Begrenzte Flammenausbreitung ist gefordert für große PolymerFlächen in Innenräumen, die von Betreibern oder Servicetechnikern betreten werden dürfen oder sollen. Materialien, wie z.B. Gondelwände, die mindestens 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 Rauchentwicklungsindex 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 Anforderungen wie z.B. IEEE C37.20.3, Standard for Metal-Enclosed 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 beitragen, 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 Kunden in aller Welt beim Absatz ihrer Produkte zu unterstützen. Im Hinblick auf diese Ziele gibt es verschiedene Initiativen, 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 geltenden US-Normen und Vorschriften zu schließen. Zum Beispiel werden sicherheitsrelevante Anforderungen an Steuersysteme mit den Anforderungen der IEC 61400 koordiniert, und zusätzliche Anforderungen an integrierte Einrichtungen wurde hinzugefügt auf der Grundlage aktueller lokaler Probleme. Dieser Ansatz ermöglicht die Verwendung relevanter Vorgehensweisen aus den IECNormen 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 Anforderungen 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 entsprechenden Anpassungen, um dem globalen Geltungsbereich
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