CN113994030A - 短路缓解装置 - Google Patents

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CN113994030A CN202080042149.XA CN202080042149A CN113994030A CN 113994030 A CN113994030 A CN 113994030A CN 202080042149 A CN202080042149 A CN 202080042149A CN 113994030 A CN113994030 A CN 113994030A
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D·莫纳
R·拉加辛加
D·马尔库桑
C·布劳蒂
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Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization CSIRO
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Abstract

公开了一种在电解池(101)中使用的短路缓解装置。该装置包括与阻尼负载(502)并联连接的开关(302)。该开关设置在电解池(101)的触点(102)和电极(106)之间以选择性地提供触点和电极之间的导电路径。该开关包括并联连接的多个金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)(402)。该装置还包括开关控制器(306)，该开关控制器(306)与开关(302)可操作地相关联以监测通过开关的电流(308)，并且当电流超过第一阈值时产生将开关(302)从导通闭合状态切换到非导通断开状态的切换信号(309)。

Description

短路缓解装置
相关应用的交叉引用
本申请要求于2019年4月24日提交的澳大利亚临时专利申请号2019901395的优先权，其内容通过引用整体并入本文。
技术领域
本公开涉及用于短路缓解的方法和装置，并且特别地涉及用于电解池中的短路缓解的方法和装置。
背景技术
现有技术的电解提炼(EW)和电解精炼(ER)工艺可以以高达96％的电流效率运行，但是仍然存在许多电流低效率的问题。已知发生低效率是由于由于阳极和阴极之间的短路引起的替代反应消耗了电荷而绕过了所有反应，以及由于电解质泄漏和盐桥引起的杂散电流。短路是迄今为止最常见的原因。短路是由弯曲的电极、不正确的电极间距、未对准的电极和结节/树枝状铜生长造成的。最近对澳大利亚一家铜电解精炼厂的调查显示，每天可识别和纠正2200次短路。类似的数字在其它ER和EW罐房中很常见。如果不加以识别和纠正，该问题有可能对生产力产生重大影响，在剩余的4％的电解池电流低效率中最多可占3％。
通常的工厂实践是使用温度计或高斯计来识别短路。一旦被识别，短路就被消除。这是通过重新定位未对准或不正确间隔的电极、物理去除结节或在板弯曲的情况下移除和更换板来实现的。在一些采用全自动起重机的现代罐房中，工作人员只有非常小的机会窗口来检测和纠正短路，这进一步使问题恶化。该过程是保守的和补救性的，这消耗了大量时间和资源。
Hatch和Outotec已经尝试改进短路的识别。两种系统都根据霍尔效应原理工作，以检测通过母线的电流的变化。读数被传送回控制室，以实时提醒工作人员注意有问题的电解池或板。主要益处是可以减少检测和校正之间的时间，从而提高整体电流效率。但是，该系统仍然是保守的，并依靠工作人员的干预来纠正问题。仍需要让工作人员在电解池顶部纠正短路也减少了使收获过程完全自动化的机会。
对本公开的背景的讨论旨在促进对本公开的理解。但是，应该认识到的是，该讨论并不是确认或承认所提及的任何材料在申请的优先权日是公开的、已知的或众所周知的常识的一部分。
发明内容
根据第一方面，提供了一种在具有电触点和电极的电解池中使用的短路缓解装置，该装置包括：
与阻尼负载并联连接并设置在触点和电极之间的开关，该开关被配置为选择性地提供触点和电极之间的导电路径，其中该开关包括并联连接的多个金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)；以及
开关控制器，可操作地与开关相关联，以监测通过开关的电流，并在电流超过第一阈值时产生将开关从导通闭合状态切换到非导通断开状态的切换信号。
该方面的优点在于，可以在触点和电极之间串联设置开关，以提供导电路径。这允许开关直接控制到电极的电流，从而允许对单个电极进行自动电流控制，并缓解有问题的短路的发生。并联连接的多个MOSFET允许比单个MOSFET装置增加的电流容量以及减小的电阻。该装置还可以包括与MOSFET并联连接的故障保护路径。
故障安全路径可以包括电阻大于多个MOSFET在其闭合导通状态下的电阻的导体。
开关控制器可以通过测量MOSFET两端的电压降来监测通过开关的电流。
通过测量MOSFET两端的电压降来监测通过开关的电流是有利的，因为这种配置避免了对会消耗功率的分流电阻器的需要。
开关控制器可以通过将MOSFET两端的电压降与MOSFET的预定模型进行比较来监测通过开关的电流，其中该模型将MOSFET的电阻与MOSFET的温度相关。
控制器还可以被配置为以至少第一操作模式和第二操作模式操作，其中第一操作模式具有第一阈值并且第二操作模式具有第二阈值。
该实施例的优点在于开关可以在不同模式下操作，从而允许开关调整其操作。这是有益的，因为电解池两端的电流分布取决于电解池的操作阶段而变化。
控制器可以被配置为当通过开关的电流超过第一或第二阈值达预定时间段时产生切换信号。
控制器可以被配置为传输指示电流的数据。
控制器可以被配置为传输指示开关的状态的状态数据。
控制器可以被配置为响应于接收到的配置信号而调整操作模式。
配置信号可以是从第二装置的第二控制器接收到的状态数据。
可以从电解池控制器接收配置信号。
电解池控制器可以与多个控制器以双向方式通信并且响应于分别从多个控制器中的每一个接收到的状态数据而产生配置信号。
控制器可以被配置为在预定时间采用低功率状态，使得在低功率状态下控制器不监测通过开关的电流。
控制器可以被配置为产生将开关从非导通断开状态切换到导通闭合状态的复位信号。
控制器可以被配置为控制通过开关的时间平均电流。
控制器可以被配置为通过循环地产生另外的信号来控制通过开关的时间平均电流以在断开时间段的非导通断开状态和闭合时间段的导通闭合状态之间切换开关，使得时间平均电流由相对的断开时间段和闭合时间段确定。
开关可以包括一个或多个固态开关装置。
一个或多个固态开关装置可以选自MOSFET、晶体管、双向可控硅、晶闸管、达林顿对和固态继电器。
该装置可以包括：
顶部触点，用于支撑电极；
底部触点，用于放置在电触点上并且通过电绝缘层与顶部触点分开；
其中开关的第一端与顶部触点电接触，并且开关的第二端与底部触点电接触，并且其中开关从顶部触点和底部触点移位。
电解池可以是电解提炼池或电解精炼池或电沉积池。
第一阈值电流可以是正常工作电流的预定第一倍数。
第一倍数可以是从1.5到3。
第二阈值电流可以是正常工作电流的预定第二倍数。
第二倍数可以是从2到3.5。
根据第二方面，提供了一种包括两个或更多个如上所述的装置的系统。
根据第三方面，提供了一种由短路缓解装置执行的方法，该短路缓解装置具有设置在电解池中的电触点和电极之间的开关，该方法包括：
接收指示通过开关的电流的电流信号；以及
当电流信号指示电流超过第一或第二阈值时，产生将开关从导通闭合状态切换到非导通断开状态的切换信号。
附图说明
虽然存在可能落入发明内容中阐述的过程的范围内的任何其它形式，现在将参考下面的附图描述具体实施例：
图1是示例性电解池的等距视图。
图2是示例性电解池的顶视图。
图3是短路缓解装置的示意图。
图4图示了图3的开关的实施例。
图5A图示了图3的开关的实施例。
图5B图示了图3的开关的实施例。
图5C图示了图3的开关的实施例。
图6是短路缓解装置的示意图。
图7是具有两个短路缓解装置的系统的示意图。
图8是具有多个短路缓解装置的系统的示意图。
图9是具有多个短路缓解装置的系统的示意图。
图10图示了图3的开关的实施例。
图11图示了由开关控制器执行的方法。
图12图示了由电解池控制器执行的示例性方法。
具体实施方式
本公开涉及缓解电解池中的短路的装置、方法和系统。特别地，本公开涉及一种用于检测电解池中的短路并且用于自动地电隔离电极或控制其电流的装置。
除非上下文明确说明或要求，否则术语电触点、触点、母线和总线可互换使用并且旨在具有等效范围。
用于电解池的短路缓解装置
图1图示了用于电解精炼、电解提炼或电沉积的典型电解池100。电解池100包括阴极母线102、阳极母线104、导电阴极板106和导电阳极板108。板106和108分别与阴极母线102和阳极母线104电接触，使得母线102和104分别充当板106和108的电触点。电解池100进一步包含电解溶液110。
阴极板106通过支撑翼112和114悬挂在阴极母线102和阳极母线104上，使得板106的下部116浸没在溶液110中。板106仅电连接到阴极母线102，并且通过支撑翼114和阳极母线104之间的绝缘插入件(未示出)与阳极母线104电隔离。因而，板106(特别是部分116)充当电解池100中的阴极电极。
类似地，阳极板108通过支撑翼118和120悬挂在母线102和104上，使得板108的下部122浸没在溶液110中。板108仅电连接到阳极母线104，并且通过支撑翼118和阴极母线102之间的绝缘插入件(未示出)与阴极母线102电隔离。因而，板108(特别是部分122)充当电解池100中的阳极电极。
图2图示了电解池101的顶视图。电解池101在设计上与电解池100相似，但包括与阳极108相互交叉的多个阴极106。顶视图图示了阴极106和阴极母线102之间的电接触以及由于间隙202而没有与阳极母线104电接触。在实践中，间隙202可以包括连接到阴极板106和阳极母线104两者的固体绝缘材料。类似地，阳极电极108与阳极母线104电接触并且通过间隙204与阴极母线102隔离，间隙204在实践中可以包括连接到阳极板108和阴极母线102两者的固体绝缘材料。
在操作中，电解池100和101通过电解质110在阴极电极106和相邻的阳极电极108之间传导电荷。由于电极106和/或108的弯曲、电极106和/或108的未对准和/或沉积在(一个或多个)阴极电极106上的金属的枝状生长，经常发生短路。
如上所述，用于检测短路的现有方法涉及热成像装置或高斯计。在短路期间，异常大的电流流过短路所涉及的电极，导致这些电极的温度升高。热成像装置通过帮助识别温度升高的电极来检测短路，而高斯计/霍尔效应传感器经由相关联的磁场增加来检测增加的电流。
当检测到短路时，工作人员可能必须手动移除所涉及的电极以调查短路的原因。工作人员可以能够通过移除枝状金属沉积物或重新定位电极来缓解短路。如果做不到这一点，那么将必须移除和更换(一个或多个)相关电极。电解池顶部上工作人员的存在限制了用于收集阴极电极的自动化装置的使用。此外，工作人员的活动可能会扰乱板，导致形成新的短路。
图3是用于电解池(诸如电解池100或101)中的短路缓解装置300的示意图。装置300包括在线开关302，在线开关302设置在电解池间母线102的电触点304和具有支撑翼112的阴极板106的阴极电极116之间。装置300还包括与开关302可操作地相关联的开关控制器306。控制器306监测通过开关302的电流308，并在电流308超过第一阈值时产生切换信号309。切换信号309将开关302从导通闭合状态切换到所示的非导通断开状态，如箭头310所指示的。
第一阈值指示电解池100或101中接近短路状况的电流幅度，并且将特定于应用。在一些实施例中，第一阈值是正常操作电流的预定的第一倍数。例如，可以使用两倍于正常操作电流的第一阈值。在这种情况下，如果流过开关302的电流达到或超过正常操作状况的值的两倍，那么控制器306将开关302从导通闭合状态切换到非导通断开状态。在非导通断开状态下，没有明显的电流流过开关302，因此电极116与阴极母线102的电触点304电隔离、绝缘或断开。例如，如果正常操作电流为620安培，那么第一阈值电流将约为1240安培。因此，当电流308达到或超过1240安培时，控制器306将开关302从导通闭合状态切换到非导通断开状态，如箭头310所指示的。应该认识到的是，在开关302的一些实施例中，当开关302处于非导通断开状态时，无关紧要的残余电流可能流过开关302。
在一些实施例中，控制器306通过测量开关302两端的电压降来监测通过开关302的电流308。控制器306可以使用开关302的已知电气特性将电压降转换成电流值，以得到电流308的准确指示。电气特性包括作为温度的函数的开关302的电阻。例如，在一些实施例中，开关302包括并联连接的多个金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)(下面详细讨论)。在这种情况下，控制器306可以测量MOSFET两端的电压降，并通过使用MOSFET的已知电气性质，使用该电压降来确定通过MOSFET的电流。确定过程可以包括在确定电流之前对MOSFET的电气性质应用温度校正。
通过使用开关302两端的电压降来确定通过开关302的电流，不需要分流电阻器。因而，在分流电阻器中没有消耗功率，因此提高了开关302的功率效率。
在一些实施例中，当通过开关302的电流308的变化率超过第一阈值时，控制器306产生切换信号309。通过利用电流变化率，控制器306能够确定是否存在产生短路的状况，也称为“软短路”。当这些状况存在时，切换信号309的产生使开关302切换到非导通断开状态，从而有效地使电流308停止。该动作可预防短路并防止短路形成。
可以认为装置300检测短路的开始和/或存在并且通过控制通过装置300的电流来减轻这些短路的影响。
示例性开关
开关302可以包括任何合适的开关装置。例如，开关302可以包括选自MOSFET、晶体管、双向可控硅、晶闸管、达林顿对和固态继电器的一个或多个固态开关装置。下面将参考图4更详细地描述开关302的实施例。
如上所述，开关302可以包括一个或多个固态开关装置。图4图示了一个这样的示例性实施例，其中开关302包括并联连接的多个MOSFET装置402。开关302具有漏极404侧和源极406侧。在实践中，对于n沟道MOSFET，漏极侧404连接到电极116，并且源极406侧连接到阴极母线102的电触点304。
通过并联连接多个MOSFET 402，开关302的电流容量可以显著增加超过单个MOSFET的容量。此外，与单个固态开关装置(诸如晶闸管或单个MOSFET(具有更高的电流容量))相比，开关302的电阻可以显著降低。例如，电流容量为500安培的单个MOSFET通常具有1-20毫欧的电阻。相比之下，并联连接的十五个MOSFET(其中每个MOSFET的电流容量为40安培)可以通过13微欧的电阻传导500安培。因此，通过并联连接MOSFET，电阻可以降低大约两到三个数量级。
在一些实施例中，诸如图5A中所示的实施例，将电阻尼负载502添加为与开关302并联。添加阻尼负载502是为了通过提供电流可以流过的替代电路来阻尼当开关302切换到非导通断开状态时可能发生的任何电压尖峰。在实践中，阻尼负载502可以在电解池101中的其它电极中实施。在这种情况下，阻尼负载502不局限于电解池101的任何特定开关302。
图5B图示了开关302'，其包括具有与开关302并联传导的故障安全路径503的开关302。在开关302由于断电而移动到非导通断开状态的情况下，故障安全路径503提供开关302周围的电气路径。
例如，图5C中示出了开关302'的具体实施例，其中开关302包括多个并联的MOSFET402。在电解池101中使用时，电解池101的每个阴极106将通过开关302'连接到电解池间母线102，如图3中的单个阴极所示。在到电解池101的供电可用但到MOSFET 402的栅电极的供电丢失的情况下，每个开关302将变为非导通。但是，即使没有到MOSFET 402的栅电极的供电，开关302'仍将通过故障安全路径503传导电流。通过故障安全路径503的持续传导防止在电解池101中出现过大的电压尖峰，从而降低火灾、爆炸、装备损坏或附近人员触电的风险。该实施例的另一个优点是，即使到开关302'的供电丢失，也可以维持电解池101的生产率。
故障安全路径503是比开关302电阻更高的路径。因此，在开关302处于导通闭合状态的正常状况下，流过开关302'的大部分电流将流过开关302，并且相对较少的电流将流过故障安全路径503。但是，在MOSFET 402的栅电极的供电丢失的情况下，开关302将变为非导通，并且所有通过开关302'的电流将流过故障安全路径503。应该认识到的是，故障安全路径503也可以充当阻尼负载502。
故障安全路径503可以是电阻大于开关302在其闭合导通状态时的电阻的导体，从而确保大部分电流在其闭合导通状态时流过开关302。此外，当开关302处于其断开非导通状态时，故障安全路径503的电阻应足够低以至少在预定时间段内防止热失控。例如，预定时间段可以足够长以关闭对电解池101的供电。
在另一个实施例中，故障安全路径503可以是适当定向的二极管或整流器。在这个实施例中，当开关302处于其闭合导通状态时，开关302'两端的电压降低于二极管/整流器的正向电压。因而，将没有电流流过故障安全路径503。但是，当开关302由于栅电极的供电丢失而处于其断开非导通状态时，开关302'两端的电压降将超过(因此故障安全路径503两端的电压降将超过)故障安全路径503的二极管/整流器的正向电压。因而，流过开关302'的所有电流都将流过故障保护路径503，从而允许电解池101继续操作。
由于各个MOSFET装置之间的切换时间的差异，通常教导MOSFET不应并联连接。需要更长时间才能从闭合导通状态切换到断开非导通状态的装置会因过量电流和电压被分流通过它们而烧毁。但是，在本申请中，阻尼负载502和/或故障安全路径503防止了这种情况发生。
如前所述，当短路开始和/或存在时，切换信号309发送到开关302'。切换信号309使开关302'的开关302切换到非导通断开状态。然后可以如下所述缓解短路的影响。
在一些实施例中，开关302一体地形成在阴极母线102和/或阳极母线104内。
多模式操作
在一些实施例中，控制器306还被配置为在第二操作模式下操作，其中第二操作模式具有第二阈值。当在第二操作模式下操作时，控制器306监测通过开关302的电流308，并在电流308超过第二阈值时产生切换信号309。切换信号309将开关302从导通闭合状态切换到所示的非导通断开状态，如箭头310所指示的。
在某些实施例中，控制器306被配置为当电流308超过第一或第二阈值达预定时间时产生切换信号。预定时间被设置为大于将是短路的错误指示的瞬态电流的时间段。将认识到的是，确切值是特定于应用的，但通常为100毫秒。
控制器306是在第一模式还是第二模式下操作取决于若干因素，如下文更详细讨论的。
为了收获沉积在电极上的金属，需要将电极从电解池中移除。通常，为此目的一次移除三分之一的阴极电极。当为了收获目的而移除这些电极时，即使没有短路，剩余电极的电流也会增加。第二阈值是指示在该收获时间期间电解池100或101中的短路的电流幅度。第二阈值电流的确切值将是特定于应用的，并且还将取决于一次为收获而移除的电极的数量。在一些实施例中，第二阈值是正常操作电流的预定的第二倍数。对于为了收获而移除三分之一电极的典型情况，预定的第二倍数是正常操作电流的两倍半。例如，如果正常操作电流为620安培，那么第二阈值电流将约为1550安培。
在一些实施例中，控制器306被配置为自校准并确定合适的正常操作电流，从而确定第一阈值和/或第二阈值。自校准过程如下所述。
类似地，当电极由于如上所述的短路而被隔离或断开时，即使没有任何其它短路，流向剩余电极的电流也增加。
在一些实施例中，控制器306被配置为响应于接收到的配置信号而采用操作模式。例如，接收的配置信号可以由工作人员手动发起和/或基于操作计时器自动发起。在这个实施例中，控制器306在调度的正常操作期间以第一模式操作，并且在调度的收获期间以第二模式操作。
在图6中所示的实施例中，装置300'的控制器307类似于控制器306，但包括传输端口602并且被配置为传输数据604。数据604包括指示电流幅度的数据308、指示开关302的状态的温度和/或状态数据。状态数据指示开关302当前是处于导通闭合状态还是非导通断开状态。
虽然数据端口602被图示为硬连线连接，但本公开并不旨在受此限制。在实践中，数据端口602可以是无线发射器、一个或多个光学指示器(诸如LED)或任何其它合适的传送数据的部件604。
例如，在开关302(无论是单独的还是作为开关302'的一部分)被切换到非导通断开状态的情况下，可以将指示状态改变的信号传输到中央控制站。响应于该信号，可以派遣工作人员缓解短路的影响。
在一些实施例中，数据604用于识别低电流或无电流状况，这些状况是由于电触点304和/或支撑翼112和/或114上的污染和/或结垢而发生的。例如，在检测到低电流状况时，LED可以通电以指示相关联的电触点和/或支撑翼上已结垢。响应于LED信号，可以派遣工作人员缓解结垢。通常，低电流状况被认为是正常操作电流的70％或更少。
在一些实施例中，诸如图7中所示，配置信号是从第二控制器接收到的状态数据。状态数据通过电解池监测系统702进行路由。在这个示例中，通过开关302或302'的电流已超过阈值，因此控制器307已产生将开关302从导通闭合状态切换到非导通断开状态的切换信号。从控制器307传输的、指示开关302(无论是单独的还是作为开关302'的一部分)的断开状态的状态数据604由与开关302'相关联的控制器307'接收。响应于接收到状态数据604，控制器307'采用第二操作模式。在一些实施例中，控制器307直接与控制器307'通信而不使用电解池监测系统702。
在图8的实施例中，系统800包括由控制器307和307'表示的多个装置300。系统800还包括与控制器307和307'中的每一个进行双向通信的电解池控制器802。电解池控制器802监测多个控制器并向它们提供适当的配置信号。例如，控制器307已产生将相关联的开关(未示出)切换到非导通断开状态的切换信号。然后控制器307通过将状态数据604传输到电解池控制器802来指示相关联的开关的状态改变。然后，电解池控制器802将配置信号810传输到其它控制器307'，使得控制器307'采用第二操作模式。
在实践中，电解池控制器802将仅在已从阈值数量的控制器307接收到指示非导通断开状态的状态数据时或在收获事件期间传输配置信号810。阈值数量将取决于电解池101中电极的数量。
在一些实施例中，电解池控制器802被配置为从控制器307和307'中的每一个接收并监测指示电流308的数据。控制器802使用指示电流的数据来建立正常操作电流，从而确定第一阈值和第二阈值。
在一些实施例中，电解池控制器802自动检测收获事件。当从预定数量的控制器307接收到的数据604指示相关联的开关中没有明显的电流308时，可以检测到收获事件。例如，在收获事件期间，1/3的控制器307将提供指示没有明显的电流308通过相关联的开关的数据604。在其它实施例中，使用其它比率来检测收获事件。
在图9的实施例中，系统900包括工厂控制器902和多个电解池控制器802。每个电解池控制器802与多个开关控制器通信，如图8中所示。工厂控制器902从每个电解池控制器802接收包括电流信息、温度、电压电位/分布和/或状态数据的操作数据906。将认识到的是，操作数据906允许工厂控制器902监测每个电解池的操作。
在一些实施例中，工厂控制器902还被配置为向电解池控制器802提供电解池配置数据904以控制或调节阈值和操作模式。
如上所述，阈值被建立为正常操作电流的固定倍数。工厂控制器902利用从每个电解池控制器802接收到的操作数据906来建立正常操作电流的值。一旦建立正常操作电流，控制器902就将阈值在电解池配置数据904中传输到每个电解池控制器802。注意，虽然系统900被图示为仅一个电解池控制器提供操作数据906，但在实践中所有电解池控制器802都将提供操作数据。类似地，配置数据将提供给所有电解池控制器802。
在一些实施例中，工厂控制器902还被配置为向电解池控制器802提供收获信息，指示收获事件。收获信息允许电解池控制器802在适当的操作模式下操作。收获信息可以基于预定的调度，由工作人员手动切换或由控制器902基于从控制器802接收到的数据而自动检测。当操作数据906指示给定电解池中预定数量的控制器307没有测量到明显的电流308时，自动检测到收获事件。例如，在收获事件期间，1/3的控制器307将向电解池控制器802提供指示没有明显的电流308流过相关联的开关的状态数据。在其它实施例中，使用其它比率来检测收获事件。
在一些实施例中，控制器306或307被配置为通过控制通过开关302的时间平均电流来“扼制”电流。第一种方法涉及电流的脉宽调制，其中控制器306或307产生用于在断开时间段的断开状态和闭合时间段的闭合状态之间切换开关的信号。然后时间平均电流由相对的断开时间段和闭合时间段确定。
用于扼制电流的另一种方法涉及控制开关的导电性。例如，如果开关302(无论是单独的还是作为开关302'的一部分)包括一个或多个MOSFET装置，那么控制器306或307可以在线性区域中操作MOSFET，在该线性区域中导电性大致线性地依赖于MOSFET的栅极电压。在该区域中，可以通过增大栅极电压来增加开关302的导电性，并且可以通过减小栅极电压来降低开关302的导电性。将认识到的是，通过控制开关302的导电性，也可以控制电流308。
在另外的实施例中，控制器306或307被配置为在预定时间采用低功率状态。在低功率状态下，控制器306或307不监测通过开关302的电流308。因此，控制器306或307基本上在发生如上所述的正常操作的通电状态和不发生电流监测的低功率状态之间循环。循环减少了装置300或300'的功耗。
在实施例中，控制器306或307被配置为产生将开关从非导通断开状态切换到导通闭合状态的复位信号。复位信号是响应于在重新配置信号810中接收到来自电解池控制器802的指令而产生的。电解池控制器802可以响应于在电解池配置数据904中接收到来自工厂控制器902的指令、根据由工作人员手动触发的信号、或基于自从将开关从导通闭合状态切换到非导通断开状态的先前切换信号流逝的时间来产生那些指令。
另一个实施例在图10中被示意性地示为装置1000。装置1000包括这里由如上所述的开关302表示的短路缓解装置300或300'，以及通过支撑翼112支撑板106的电极116的顶部触点1002。底部触点1004位于阴极母线102的电触点304上，并通过电绝缘层1006与顶部触点1002分开。当处于导通闭合状态时，开关302将顶层1002电连接到底层1004，使得电流308从电极116流过顶部触点1002、流过装置300或300'的开关302、流过底部触点1004并流到阴极母线102中。
装置1000允许装置300或300'从支撑翼112和阴极母线102水平移位。水平移位有利于将装置300或300'改装到现有的电解池，并具有促进开关302散热和防止当电极116放入到电解池101中时对开关302的潜在冲击损坏的进一步益处。
在一些实施例中，电绝缘层1006是气隙，而在其它实施例中，电绝缘层1006是固体绝缘材料，诸如聚合物/耐火材料。
图11图示了由装置300或300'的控制器306或307执行的方法1100。在步骤1102处，控制器306或307接收指示电流308的电流信号。然后在步骤1104处将电流308与预定阈值进行比较。如果电流308超过阈值，那么控制器306或307执行步骤1106，从而产生将开关302从导通闭合状态切换到非导通断开状态的切换信号309。如果电流308没有超过阈值，那么控制器306或307从步骤1102开始重复方法1100并继续接收电流信号。
图12图示了由电解池控制器802执行的方法1200。电解池控制器802在步骤1202处接收数据。该数据可以是指示控制器307已经将其相关联的开关切换到非导通断开状态的切换数据604，或者它可以是电解池配置数据904。
然后在步骤1204处分析接收到的数据以确定它是否指示收获事件正在发生。如果收获事件正在发生，那么发起步骤1206，其中配置信号810被传输到控制器307。
如果数据不指示收获事件，那么在步骤1208处分析数据以确定开关是否已被切换，如果是，那么阈值数量的开关是否已被切换到非导通断开状态。如果阈值数量的开关已被切换到非导通断开状态，那么发起步骤1206，其中配置信号810被传输到控制器307。如果尚无阈值数量被切换到非导通断开状态，那么电解池控制器802返回到步骤1202并继续接收数据。
控制器的自校准
在某些实施例中，控制器306和307、电解池控制器802和工厂控制器902可以被配置为通过确定正常操作电流来自校准。
自校准过程包括记录和/或访问来自非收获期的历史电流数据。如果历史电流数据的统计方差低于预定阈值，那么将正常操作电流确定为历史电流数据的统计平均值。如果历史电流数据的统计方差高于预定阈值，那么控制器继续记录电流数据，直到该方差低于阈值。如果在校准时间段内该方差没有减小到阈值以下，那么指示操作不稳定。在这种情况下，会向人类操作员发信号通知错误以调查不稳定电流的来源。
本领域技术人员将认识到，在不脱离本公开的广泛的一般范围的情况下，可以对上述实施例进行多种变化和/或修改。因此，本实施例在所有方面都被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (23)

1.一种在具有电触点和电极的电解池中使用的短路缓解装置，所述装置包括：
与阻尼负载并联连接的、设置在触点和电极之间的开关，所述开关被配置为选择性地提供触点和电极之间的导电路径，其中所述开关包括并联连接的多个金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET；以及
开关控制器，可操作地与开关相关联，以监测通过开关的电流，并在电流超过第一阈值时产生将开关从导通闭合状态切换到非导通断开状态的切换信号。
2.如权利要求1所述的装置，还包括与MOSFET并联连接的故障保护路径。
3.如权利要求2所述的装置，其中所述故障安全路径包括电阻大于所述多个MOSFET在其闭合导通状态下的电阻的导体。
4.如前述权利要求中的任一项所述的装置，其中所述控制器还被配置为在至少第一操作模式和第二操作模式下操作，其中第一操作模式具有第一阈值并且第二操作模式具有第二阈值。
5.如前述权利要求中的任一项所述的装置，其中所述控制器被配置为当通过开关的电流超过第一阈值或第二阈值达预定时间段时产生切换信号。
6.如前述权利要求中的任一项所述的装置，其中所述控制器被配置为传输指示电流的数据。
7.如前述权利要求中的任一项所述的装置，其中所述控制器被配置为传输指示开关的状态的状态数据。
8.如前述权利要求中的任一项所述的装置，其中所述控制器被配置为响应于接收到的配置信号而采用操作模式。
9.如权利要求8所述的装置，其中所述配置信号是根据权利要求6的从第二装置的第二控制器接收到的状态数据。
10.如权利要求8所述的装置，其中所述配置信号是从电解池控制器接收的。
11.如权利要求10所述的装置，其中所述电解池控制器与多个控制器以双向方式通信并且响应于分别从所述多个控制器中的每个控制器接收到的状态数据而产生配置信号。
12.如前述权利要求中的任一项所述的装置，其中所述控制器被配置为在预定时间采用低功率状态，使得在低功率状态下，所述控制器不监测通过开关的电流。
13.如前述权利要求中的任一项所述的装置，其中所述控制器被配置为产生将开关从非导通断开状态切换到导通闭合状态的复位信号。
14.如前述权利要求中的任一项所述的装置，其中所述控制器被配置为控制通过开关的时间平均电流。
15.如权利要求14所述的装置，其中所述控制器被配置为通过循环地产生另外的信号以在断开时间段的非导通断开状态和闭合时间段的导通闭合状态之间切换开关来控制通过开关的时间平均电流，使得时间平均电流由相对的断开时间段和闭合时间段确定。
16.如前述权利要求中的任一项所述的装置，包括：
用于支撑电极的顶部触点；
放置在电触点上并且通过电绝缘层与顶部触点分开的底部触点；
其中开关的第一端与顶部触点电接触，并且开关的第二端与底部触点电接触，并且其中开关从顶部触点和底部触点移位。
17.如前述权利要求中的任一项所述的装置，其中所述电解池是电解提炼池或电解精炼池或电沉积池。
18.如前述权利要求中的任一项所述的装置，其中第一阈值电流是正常工作电流的预定的第一倍数。
19.如权利要求18所述的装置，其中预定的第一倍数是从1.5到3。
20.如权利要求4至19中的任一项所述的装置，其中第二阈值电流是正常工作电流的预定的第二倍数。
21.如权利要求20所述的装置，其中第二倍数是从2到3.5。
22.一种系统，包括用于缓解电解池中的短路的两个或更多个根据前述权利要求中的任一项所述的装置。
23.一种由短路缓解装置执行的方法，所述短路缓解装置具有与阻尼负载并联连接的开关，所述开关包括并联连接的、设置在电解池中的电触点和电极之间的多个金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，所述方法包括：
接收指示通过开关的电流的电流信号；以及
当电流信号指示电流超过第一阈值或第二阈值时，产生将开关从导通闭合状态切换到非导通断开状态的切换信号。
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