Ein derartiger Schutz gegen gewitterbedingte Überspannungen, ein sogenannter Blitz- schutz, dient als Maßnahme zur Vermeidung von Schäden an Verbrauchern oder End- geräten, die an ein Versorgungsnetz angeschlossen sind. Derartige Verbraucher sind üblicherweise elektrische oder elektronische Endgeräte, die an eine 110V-oder 220V- Versorgungsspannung angeschlossen werden.

Bisherige Schutzmaßnahmen zielen darauf ab, die infolge eines Blitzschlages auftre- tenden Überspannungen vom Verbraucher oder Endgerät fernzuhalten. Dazu sind im allgemeinen galvanische Trennung oder gezielte Ableitungen der durch atmosphäri- sche Ent-und Aufladungen bedingten Überströme und Überspannung gegen Erde vor- gesehen. Derartige Schutzmaßnahmen reichen jedoch in vielen Fällen, insbesondere bei empfindlichen elektrischen oder elektronischen Endgeräten, nicht aus.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schutzvorrichtung anzugeben, die einen besonders zuverlässigen Schutz eines elektrischen Verbrauchers gegen gewitterbedingte Überspannungen gewährleistet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Da- zu ist eine mit einem Empfänger verbundene Auswerteeinrichtung für das sogenannte Spherics-Signal vorgesehen. Die Auswerteeinrichtung wertet das empfangene Signal aus und generiert bei erhöhtem Risiko von gewitterbedingten Überspannungen ein Steuersignal zur Abschaltung des Verbrauchers vom Versorgungsnetz.

Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass nicht erst im Falle von Über- spannungen infolge von Blitzeinschlägen eine Trennung des Verbrauchers vom Ver- sorgungsnetz erfolgt. Vielmehr soll nach Art eines prädiktiven Blitzschutzes oder vor- auseilenden Schutzes gegen Überspannungen eine Trennung vom Versorgungsnetz bereits beim Auftreten zu erwartender Überspannungen erfolgen.

Der Erfindung liegt daher die Erkenntnis zugrunde, dass durch Empfangen und Aus- werten des sogenannten Spherics-Signals bereits frühzeitig gewitterbedingte Über- spannungen vorhersehbar sind. Derartige Spherics-Signale sind elektromagnetische Signale in Form von unregelmäßig geformten Strahlungsimpulsen, die von dynami- schen Prozessen in der Atmosphäre, beispielsweise im Vorfeld von Gewitter-oder Wetterfronten oder in konvektiven Bewölkungsformen, auftreten. Dabei ist es bekannt, dass einzelne Parameter der Spherics-Signale, wie z. B. die Anzahl, die Amplitude, die Frequenz der Schwingungen, die Impulsfolgefrequenz, die Häufigkeitsverteilung auf die Frequenzwerte und die Signalformen, eng mit den sie auslösenden Wettervorgängen, insbesondere mit der Art und Bewegung von atmosphärischen Luftmassen, verknüpft sind.

Diese Spherics-Signale haben eine Impulsdauer bis zu einigen 100us und bestehen aus einer oder mehreren Schwingungen, deren Schwingungsfrequenz im Niederfre- quenzbereich bis etwa 100kHz und damit im Langwellenbereich liegen. Die maximale Amplitude der Spherics-Signale hängt von der Art und der Entfernung der Signalquelle ab und beträgt für den elektrischen Feldvektor bis zu einigen Volt pro Meter. Die typi- schen Entladungsstromstärken sind kleiner als 1 kA, so dass die effektive Reichweite auf etwa 50km begrenzt ist.

In vorteilhafter Ausgestaitung enthält daher der Empfänger der Schutzvorrichtung eine magnetische Antenne, beispielsweise eine magnetische Rahmen-oder Ferritkernan- tenne, zum Empfangen von Langwellen, deren Quelle im Nahbereich liegt. Dadurch kann die im Bereich eines Gewittergebietes liegende Schutzvorrichtung das im Vorfeld eines Gewitters erzeugte Spherics-Signal empfangen. Die magnetische Rahmenanten- ne dient als Meßsonde zur Registrierung der elektrischen Aktivität infolge eines erhebli-

chen Anstiegs der natürlichen Impulsstrahlung der Atmosphäre aufgrund sich aufbau- ender Gewitterzellen oder Gewitterfronten. Diese Grotte wird zur Prognose von Gewit- tern und somit zur Bewertung des Überspannungsrisikos verwendet. Dabei bedeutet eine verstärkt auftretende Impulsstrahlung ein hohes Risiko von Blitzereignissen und somit ein hohes Risiko von Überspannungen.

Zur Generierung eines detektierbaren und analysierbaren MeRsignals ist zweck- mäßigerweise der Antenne ein rauscharmer Verstärker, beispielsweise ein Operations- verstärker, nachgeschaltet. Dieser transformiert die von der Antenne gemessenen elektromagnetischen Impulse auf einen Spannungsbereich von vorzugsweise 1V bis 2V. Anschließend wird zweckmäßigerweise das gebildete Meßsignal mittels eines dem Verstärker nachgeschalteten analogen Filterbausteins in die für Blitzereignisse charak- teristischen spektralen Anteile zerlegt. Durch diese Art der Vorfilterung werden Rau- scheinflüsse und zumindest teilweise auch technische Störeinflüsse reduziert. Zur be- sonders zuverlässigen Selektierung des empfangenen Spherics-Signals von techni- schen Störungen ist zweckmäßigerweise eine Detektor-Logik-Einheit vorgesehen, die anhand der Amplitude und des Zeitverlaufes das Spherics-Signal erkennt und eine Unterscheidung von technischen Störungen vornimmt.

Die Analyse des Spherics-Signals erfolgt in vorteilhafter Weiterbildung prozessorge- steuert mittels eines Signalprozessors, vorzugsweise eines 8 BIT-Microcontrollers. Die- sem ist eingangsseitig ein Analog-/Digital-Wandler (A/D-Wandler) vorgeschaltet, der insbesondere im Hinblick auf eine spätere Analyse die Maximalamplitude des Signals bestimmt und in ein digitales Datenformat, vorzugsweise in ein 8 BIT-Datenwort, um- wandelt.

Die Logikeinheit oder Detektorlogik generiert bei der Detektion einer Impulsstrahlung ein Steuersignal für den Signalprozessor zum Einlesen der Maximal-oder Spitzen- amplitude. Aus der mit der Impulsamplitude gewichteten Häufigkeit der ankommenden Impulse berechnet der Signalprozessor das Risiko von Blitzeinschlägen und somit von unzulässig hohen gewitterbedingten Überspannungen. Anhand dieser Daten generiert

der Signalprozessor ein digitales Steuersignal oder einen Risikowert, der mit einem LCD-Display angezeigt werden kann.

Das von der Auswerteeinrichtung generierte digitale Steuersignal wird zweck- mäßigerweise einem Schwellwertschalter zugeführt, mit dem die Schwelle zur Tren- nung eines angeschlossenen Gerätes oder Verbrauchers eingestellt und damit festge- legt werden kann. Übersteigt der Wert des Steuersignals den eingestellten Schwellwert, so wird zweckmäßigerweise über einen Treiberbaustein ein Schaltrelais angesteuert, das die Netztrennung und damit die Abschaltung des Verbrauchers vom Versorgungs- netz vornimmt.

Die Schutzvorrichtung, deren Signalprozessor zweckmäßigerweise mittels eines Quar- zes getaktet wird, ist vorteilhafterweise zusätzlich mit einer Watchdog-Schaltung verse- hen, die eine permanente Überwachung der Vorrichtung vornimmt. Findet beispielswei- se ein überspannungsbedingter Systemausfall statt, so wird die Schutzvorrichtung in- nerhalb weniger Millisekunden erneut gestartet.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch eine Schutzvorrichtung mit einer einem Empfänger nachgeschalteten Auswerteeinrichtung für ein empfangenes Spherics-Signal ein zuverlässiger Schutz eines elektrischen Ver- brauchers gegen gewitterbedingte Überspannungen im Versorgungsnetz gewährleistet ist. Der Schutz wirkt dabei prädiktiv oder vorauseilend, so dass eine Trennung des elektrischen Verbrauchers vom Versorgungsnetz bereits erfolgt ist, wenn mit hoher Wahrscheinlichkeit erwartete gewitterbedingte Überspannungen infolge eines Blitzein- schlags auftreten. Eine automatische galvanische Trennung des elektrischen Verbrau- chers von der Versorgungs-oder Netzspannung erfolgt dabei vorteilhafterweise mög- lichst kurzzeitig vor Auftreten einer möglichen Überspannung, d. h. bei einem erhöhten Risiko von Überspannungen infolge von Blitzeinschlägen. Dadurch wird einerseits ein Geräteschaden, der bisher infolge des zu trägen Abschaltvorganges auftrat, sicher vermieden. Andererseits wird die bestimmungsgemäße Nutzung des elektrischen Ver- brauchers nicht unnötig eingeschränkt.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt die Figur schematisch in Form eines Blockschaltbilds eine prädik- tive Schutzvorrichtung für einen elektrischen Verbraucher.

Die in der Figur schematisch dargestellte Schutzvorrichtung 1 umfasst einen Empfän- ger mit einer magnetischen Rahmenantenne oder Ferritkernantenne 2 und einen Ver- stärker 3, dem ein analoger Filter 4 nachgeschaltet ist. Die Antenne 2 dient als Meß- sonde zur Registrierung der elektrischen Aktivität infolge eines Anstiegs der natürlichen lmpulsstrahlung der Atmosphäre im Langwellen-Bereich. Die Antenne 2 wird beispiels- weise mitteis eines etwa 5m langen Kabels an einer Gebäudewand oder dergleichen befestigt. Der nachgeschaltete Verstärker 3, beispielsweise ein Operationsverstärker, transformiert das empfangene Signal auf einen Spannungsbereich von vorzugsweise 1V bis 2V. Das vom Verstärker 3 generierte Meßsignal M wird im Filter 4 in die für Blit- zereignisse charakteristischen spektralen Anteile zerlegt. Durch diese Art der Vorfilte- rung werden Rauscheinflüsse und teilweise auch technische Störeinflüsse reduziert.

Das gefilterte Mefsignal Mf wird einer Logikeinheit oder einem Logikdetektor 5 zuge- führt. Die Logikeinheit 5 umfasst einen Amplitudendetektor 6 zur Bestimmung der Ma- ximalamplitude des Meßsignals Mf und einen Zähler 7 sowie eine mit diesem und mit dem Amplitudendetektor 6 eingangsseitig verbundenen Steuerlogikbaustein 8. Die Lo- gikeinheit 5 dient zur Erkennung eines empfangenen Spherics-Signals anhand der Amplitude und des Zeitverlaufes des Meßsignals Mf und nimmt eine Unterscheidung oder Trennung dieses Spherics-Signals von technischen Störungen vor. Parallel zur Logikeinheit 5 liegt ein A/D-Wandler 9, beispielsweise ein 8 Bit ADU, der die Maxima- amplitude des Meßsignals Mf insbesondere zum Zwecke einer späteren Analyse in ein digitales Datenformat umwandelt.

Die digitale Signalanalyse wird mit Hilfe einer geeigneten, beispielsweise in einem EPROM abgelegten Software vorgenommen. Dabei kann die Signalanalyse oder Aus- wertung auch mittels Fuzzy-Logik erfolgen, so dass ein entsprechender Algorithmus in einer Auswerteeinrichtung in Form eines Signalprozessors 10 vorgesehen ist. Diesem wird ein von der Logikeinheit 5 bei der Detektion einer impulsstrahlung generiertes

Steuersignal SL zum Einlesen der Spitzenamplitude des Meßsignals Mf zugeführt. Der mittels eines Quarzes 11 getaktete Signalprozessor 10 berechnet aus der mit der Amplitude gewichteten Häufigkeit der ankommenden Impulse das Risiko von Blitz- einschlägen anhand des empfangenen und selektierten Spherics-Signals. Im Ergebnis liefert der Signalprozessor 10 einen digitalen Risikowert R, der gleichzeitig als Steuer- signal S für ein Schaltrelais 12 dient. Der Risikowert R wird einem LCD-Display 13 zu- geführt und dort alphanumerisch dargestellt.

Der Risikowert R wird außerdem einem Schwellwertschalter 14 zugeführt, der mit ei- nem Einstellregler 15, beispielsweise in Form eines Potentiometers, verbunden ist. Da- durch kann die Schwelle zur Trennung eines an ein 220V-Versorgungsnetz 16 ange- schlossenen (nicht dargestellten) elektrischen Gerätes oder Verbrauchers festgelegt werden. Übersteigt der Risikowert R den eingestellten Schwellwert, so wird über einen Treiberbaustein 17, der mit einer LED-Anzeige 18 verbunden ist, das Schaltrelais 12 angesteuert. Das Schaltrelais 12 nimmt über einen mit diesem gekoppelten Schalter 19 eine zweipolige Trennung des Verbrauchers vom Versorgungsnetz 16 vor.

Der Signalprozessor 10 ist mit einer Watchdog-Schaltung 20 zur permanenten Über- wachung der Schutzvorrichtung 1 verbunden. Ferner ist zur Versorgung der Schutzvor- richtung 1 ein stabilisiertes Netzteil 21 vorgesehen, das aus einer zugeführten Netz- spannung Unetz ausgangsseitig eine 8V-Betriebsspannung liefert. Die Schutzvorrich- tung 1 ist in nicht näher dargestellter Art und Weise vorteilhafterweise in ein Gehäuse in Form einer Mehrfachsteckdose oder einer Zeitschaltuhr integriert, so dass die Schutz- vorrichtung 1 zwischen eine Netzsteckdose und den elektrischen Verbraucher geschal- tet werden kann.

Die Schutzvorrichtung 1 eignet sich zweckmäßigerweise zur Schaltung von Netzspan- nungen bis 230V und Schaltströmen von bis 10A. Die Gehäuseabmessungen betragen zweckmäßigerweise 100mm x 100mm x 30mm. Die Leistungsaufnahme beträgt im Ru- hezustand weniger als 50mW und im Meßzustand weniger als 180mW. Im Schaltzu- stand beträgt die Leistungsaufnahme weniger als 2W. Das Gewicht der gesamten Schutzvorrichtung 1 beträgt weniger als 500g.

Mittels der Schutzvorrichtung 1 erfoigt somit eine Bewertung des Risikos von gewitter- bedingten Überspannungen im Versorgungsnetz 16 oder auf den entsprechenden Ver- sorgungsleitungen durch Messung und Auswertung der lokal vorhandenen natürlichen Impulsstrahlung der Atmosphäre. Dazu erfolgt eine Detektion und Analyse eines erfass- ten oder empfangenen Spherics-Signals. Eine verstärkt auftretende Impulsstrahlung bedeutet dabei ein hohes Risiko von Blitzereignissen und somit ein hohes Risiko von Überspannungen.

Da das Risikomaß zwischen 0% und 100% liegt, ist die Risikoschwelle, bei der eine Trennung vom Versorgungsnetz 16 erfolgt, mittels des Schwellwertschalters 14,15 ent- sprechend einschaltbar. Demnach kann der Benutzer die Schwelle derart festlegen, dass einerseits auch bei geringstem Risiko einer möglichen Überspannung bereits eine Abschaltung erfolgt, während ebenso die Möglichkeit besteht, eine Schwelle zu wählen, bei der in stets durchgeschaltetem Zustand der elektrische Verbraucher auch bei einer hohen Gefährdungslage nicht abgeschaltet wird.

Durch Verwendung eines entsprechend programmierten Signalprozessors 10, vor- zugsweise eines 8 Bit-Microcontrollers, kann auch eine mittels Fuzzy-Logik arbeitende prozessorgesteuerte Auswertung des Meßsignals Mf und damit des Risikos von gewit- terbedingten Überspannungen erfolgen. Dadurch wird ein zuverlässiger Schutz des elektrischen Verbrauchers vor einer Einkopplung von unzulässig hohen Überspannun- gen erzielt.

Bezugszeichenliste 1 Versorgungsschutz/Blitzschutz 2 Antenne 3 Verstärker/Operationsverstärker 4 Filter 5 Logikeinheit/Detektorlogik 6 Amplitudendetektor 7 Zähler 8 Steuerlogik <BR> <BR> <BR> <BR> 9 A/D-Wandler<BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> 10 Signalprozessor/Auswerteeinrichtung 11 Quarz 12 Schaltrelais 13 LCD-Display <BR> <BR> <BR> <BR> 14 Schwellwertschalter<BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> 15 Einstellregler 16 Versorgungsnetz 17 Treiber 18 LED-Anzeige 19 Schalter 20 Watchdog-Schaltung 21 Netzteil M,Mf Meßsignal R Risikowert S,SL Steuersignal UnetZ Netzspannung