Phase (électricité)

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Page d'aide sur l'homonymie Pour les articles homonymes, voir Phase.

En électricité et en électronique, le mot phase est utilisé de différentes manières :

  • un décalage angulaire entre des signaux de forme sinusoïdale, mis en évidence par un oscilloscope. Si leur passage par la valeur zéro est simultanée, on dit qu'il sont en phase.
  • le ou les fils[N 1] conducteurs, appelé fil de phase sur lequel on peut mettre en évidence la présence d'une tension électrique avec un "testeur de phase".

NB : Il est abusif et incorrect de parler de phase pour désigner la tension mesurée sur des fils alimentés en courant continu. Cette notion n'ayant aucun lien avec son étymologie, ne sera pas traitée ici.

En phase[modifier | modifier le code]

Deux tensions alternatives (de deux fils différents) sont en phase (ou en opposition de phase) lorsqu'elles passent à la valeur zéro simultanément. Ceci peut être facilement mis en évidence à l’aide d'un oscilloscope.

Par contre, le décalage dans le temps du passage a zéro de la tension et du courant d'un même fil électrique (appelé facteur de puissance) montre l’effet capacitif ou inductif de la charge alimentée.

Monophasé, triphasé[modifier | modifier le code]

Articles détaillés : Courant monophasé et Courant triphasé.

La production de l'énergie électrique de puissance étant en général centralisée, sa distribution est conditionnée par le problèmes du transport. Déjà à l'époque des précurseurs le débat faisait rage entre Thomas Edison qui préconisait l'usage du courant continu et son employé, Nikola Tesla qui lui préférait le courant alternatif qui au final a démontré de nets avantages sur le continu. Le principal de ces avantages est la possibilité, en alternatif, d'utiliser des transformateurs électriques pour élever la tension de façon à réduire le courant nécessaire à transporter une même puissance, ce qui réduit les coûts du métal pour les lignes de transport, ainsi que leur poids sur les pylônes.

Si l'usager domestique du courant électrique est habitué à voir celui-ci arriver sur deux fils d’alimentation (monophasé), en apparence symétriques, l'usage industriel fait qu'il est beaucoup plus intéressant de véhiculer celui-ci sur trois fils (triphasé) ou quatre (idem, avec neutre). D'abord parce que les lignes sont utilisées avec un meilleur rendement, ensuite parce que si en monophasé, la puissance s'annule au moment où les deux phases se croisent, en triphasé, les trois phases ne se croisent jamais en même temps. Contrairement au triphasé qui fournit une distribution d'énergie "tournante", en monophasé, l'alternance de deux phases est capable d'entretenir une rotation déjà lancée, mais ne définit pas un sens de rotation prioritaire (c'est l’équivalent de deux champs tournants, identiques mais de sens inverse). Le démarrage d'un moteur monophasé nécessite un artifice pour créer une légère différence d'intensité de l'un des deux champs tournants.

Une alimentation triphasée peut se voir comme trois alimentations monophasées asymétriques. chacune fournissant une phase autour d'un neutre commun à toutes les phases. Si les consommations sur les différentes phases sont équilibrées, le courant total sur le neutre sera à peu près nul. C'est la raison pour laquelle il n'est pas toujours nécessaire de délivrer le 4e fil, par exemple, un moteur triphasé tournera très bien sans ce dernier. Le 4e fil, appelé "neutre" devrait avoir un potentiel nul par rapport à la terre, néanmoins les courants telluriques et autre phénomènes d'électricité naturelle font que ce n'est pas toujours le cas.

Pour obtenir du monophasé, il suffit de prendre une phase et le neutre. Dans ce cas, on a un monophasé asymétrique et un tournevis testeur indiquera la présence d'une tension sur le fil de phase uniquement. On peut également obtenir un monophasé symétrique de tension supérieure au précédent entre deux phases. Un réseau triphasé 400 V fournit 400 V efficaces entre deux phases et 230 V entre une des phase et le neutre.
Pour des raisons historiques, certains réseaux de distributions fournissent du triphasé 230V et dans ce cas, l'usager reçoit son monophasé 230V entre phases plutôt qu'entre phase en neutre[réf. nécessaire]. Un réseau domestique câblé en triphasé doit connecter ses différents circuits monophasés sur des phases différentes de façon à équilibrer les consommations sur les trois fils de phase. Selon les endroits, la fourniture en triphasé a tendance à disparaître (sauf demande expresse de l'utilisateur) et c'est le distributeur qui répartit les différentes phases entre les habitations[réf. nécessaire].

Synchronisation d'un alternateur[modifier | modifier le code]

Le raccordement d'un alternateur sur un réseau de production est une opération délicate car il faut :

  1. amener la vitesse de l'alternateur de manière à ce que la fréquence de celui-ci soit très proche de celle du réseau ;
  2. régler l’excitation de l'alternateur pour que la différence de potentiel entre les phases du réseau et celles de l'alternateur soient minimes.
  3. mettre en phase l'alternateur avec le réseau (une équivalence de fréquence n'est pas suffisante surtout si les phases de l'alternateur sont à 180° du réseau)

Une fois couplé au réseau l'alternateur va rester synchrone mais doit etre réglé pour fournir de l'énergie. En Europe tous les réseaux 50Hz sont synchrones, excepté celui du Royaume Uni qui n'est pas synchronisé avec le continent[N 2]. Les liaisons d'échange d'électricité sont réalisées en courant continu, grâce a des convertisseurs[N 3] installés à chaque extrémité des lignes trans-manche.

Le conducteur de protection[modifier | modifier le code]

Le conducteur vert-jaune qui apparait dans nos prises murales et plafonniers est le "conducteur de protection", ou "PE". Son rôle principal est de maintenir équipotentielles les masses simultanément accessibles par les utilisateurs, de façon à assurer la protection de ceux-ci. Son second rôle est d'acheminer les charges statiques et les courants de fuite vers la terre, via le conducteur de protection.

Notez que le conducteur présent dans les prises murales et au niveau des points d'éclairage n'est PAS le "fil de mise à la terre", mais le conducteur de protection lui même relié a la liaison équipotentielle qui est relié à la terre du bâtiment.

La mise à la terre de l'habitation n'a un sens que si cette mise à la terre est locale (au niveau du bâtiment). Il n'y a donc aucun intérêt (et ce serait même dangereux) de le distribuer. Aussi, la "terre" n'est jamais distribuée par le fournisseur d'électricité, il appartient à l'utilisateur de se référencer à la sienne, soit via des piquets de terre (ancienne méthode), soit en ceinturant le bâtiment d'un câble cuivré enterré (méthode obligatoire actuellement pour les nouvelles constructions). Le Neutre fourni éventuellement par le fournisseur est généralement relié à la terre au niveau du transformateur de la zone. Aussi, la différence de potentiel (ddp) entre le neutre de l'utilisateur et sa propre terre est souvent faible (quelques volts max) en situation normale. Cette différence correspond donc en fait à la différence de tension entre la terre locale de l'utilisateur et la terre distante du transformateur du distributeur. En cas de circonstances particulières (foudre) la ddp peut atteindre plusieurs dizaines de milliers de volts (voire bien plus), et donc il peut arriver que chez l'utilisateur, entre son neutre et sa terre locale, la même ddp apparaisse, ce qui peut provoquer des arcs destructeurs entre neutre et conducteur de protection, allant jusqu'à faire exploser des prises ou rallonges.

Sécurité[modifier | modifier le code]

La sécurité des personnes repose essentiellement sur l'équipotentialité des masses qui lui sont accessibles: une électrocution est le résultat du passage d'un courant dans l'organisme, lui-même résultat des différences de potentiel entre différents points du corps. Pour arriver à maintenir et contrôler cette équipotentialité, on dispose de plusieurs mécanismes :

  1. Le câble d'équipotentialité : relie tous les éléments métalliques (tuyaux, poutrelles, etc.) de l'habitation entre eux, à la masse générale, et à la terre ;
  2. Les conducteurs de protection : fils jaune et vert, ou vert-jaune au niveau des prises murales et points lumineux ; ils permettent de relier la carcasse des appareils branchés à la masse générale et à la terre ;
  3. La mise à la terre locale : referme les courants de fuite vers le neutre via la terre distante, et évacue les charges statiques. De plus, la terre locale joue le rôle de conducteur de protection du sol de l'habitation, et donc permet aux pieds de l'utilisateur d'être au même potentiel que les appareils reliés aux conducteurs de protections. Les bâtiments modernes sont entourés par le câble de mise à la terre, partant du principe que si le périmètre du bâtiment est équipotentiel (au même potentiel) avec les autres masses locales, alors tout point situé à l'intérieur de ce périmètre peut raisonnablement être supposé l'être aussi. La terre locale n'a donc un sens qu'à l'intérieur du périmètre entourant le bâtiment, et donc ni dans le jardin, ni dans l'abri de jardin (utilisez pour ces lieux une autre terre locale) ;
  4. Le disjoncteur différentiel : vérifie l'absence de courant de fuite, soit provoqué par un défaut local, soit directement par le passage via l'utilisateur d'un courant retournant au neutre distant via sa terre locale, la terre distante, puis le neutre (électrocution).
  • Notez que la sécurité ne nécessite la mise à la terre locale que parce que le neutre est mis à la terre à proximité ou à distante. Si l'installation est complètement isolée de la terre (transformateur d'isolement, avion, etc.), cette mise à la terre locale devient superflue car un défaut simple (toucher une phase) n'est plus dangereux (car le circuit n'est pas fermé), néanmoins il est beaucoup plus difficile d'obtenir, de maintenir et de vérifier une isolation parfaite que de gérer l'équipotentialité. Aussi l'isolation n'est-elle utilisée que dans des lieux à haute sécurité (par exemple: salles d'opérations). Dans certains endroits, comme un avion, il est évident qu'on n'est pas relié à la terre dès qu'il a décollé !
  • Notez également qu'une mise à la terre distante est très dangereuse, du fait des ddp entre terre locale (pieds de l'utilisateur) et terre distante (qui serait alors reliée aux mains de l'utilisateur, via le conducteur de protection de la prise murale). C'est pourquoi les appareils de jardin ne sont jamais reliés à la terre, mais sont isolés de telle façon que l'utilisateur ne puisse pas entrer au contact d'un élément métallique interne ou électrique; néanmoins il est préférables que toutes les prises servant à alimenter un appareil électrique extérieure soit protégées par un disjoncteur différentiel 30 mA[N 4].
  • Le disjoncteur différentiel ne participe pas à l'équipotentialité du système, mais en assure le contrôle. En cas de fuite de courant par une carrosserie et la terre, ou par un humain qui touche à un câble dénudé, le courant de fuite sera détectée par le disjoncteur différentiel qui coupera l'alimentation électrique.

Neutre (sigle N)[modifier | modifier le code]

Le neutre est la référence de potentiel ou de tension pour les phases ; il n'y a qu'un seul neutre commun à toutes les phases. Il constitue la référence « zéro volt » du générateur, et il est parfois matérialisé par un fil. C'est le cas dans le cadre de l'alimentation domestique, où le neutre est d'ailleurs relié à la terre côté production d'électricité. Il n'est donc en principe pas dangereux de le toucher, même si cela reste déconseillé[N 5].

Une erreur répandue consiste à considérer que le neutre est une phase reliée à la terre. En polyphasé cela est impossible : il a une place bien particulière et si on l'intervertissait avec une des phases, alors le système obtenu ne serait plus symétrique et perdrait ses intérêts électriques (pour le transport) et mécaniques (pour la fabrication). En général on peut d'ailleurs se dispenser de transporter le neutre sur les longues distances (voir l'article sur le triphasé pour les détails). Il s'agit donc bien d'une référence choisie, à partir de laquelle sont construites les phases multiples.

Liaison du neutre à la terre[modifier | modifier le code]

Si le neutre n'était pas connecté à la terre (ni côté distribution, ni côté utilisateur) le courant ne pourrait pas circuler vers la terre ; il n'y aurait donc aucun danger à toucher un (et un seul) des conducteurs[N 6]. Par contre, on ne détecterait plus un éventuel défaut d'isolation (quand un fil est dénudé et touche une carcasse par exemple). En milieu industriel, ce schéma est utilisé mais implique des contrôles spécifiques. On ne pourrait imposer ces conditions chez des particuliers, car un tel système deviendrait trop dangereux (en cas de défaut, il pourrait suffire de toucher deux appareils différents pour être blessé). C'est pourquoi pour les particuliers on met en place cette liaison du neutre à la terre et on utilise des disjoncteurs différentiels.

Par principe il faut considérer qu'il est dangereux de toucher une phase, même si l'installation est pourvue d'un disjoncteur différentiel de sécurité (30 mA) qui devrait détecter le moindre défaut et couper immédiatement l'alimentation électrique.

Chez les particuliers, selon les pays, certaines prises de courant ont un détrompeur qui permet de distinguer le neutre de la phase[N 7]. Pour la sécurité des enfants toutes les prises électriques à leur portée devraient être munies d'un « bouche trou » automatique pour éviter toute insertion d'objet métallique dans le trou correspondant au fil de phase.

Repérage des fils de phase et du neutre[modifier | modifier le code]

Code couleur[modifier | modifier le code]

Il est très important de pouvoir distinguer les fils de phase (dits « chauds ») des fils de neutre et de terre. Bien que la terre soit généralement repérée par une dominante de vert (     ) ou par un conducteur nu, les usages de par le monde ont vu naître pour les différents fils, des combinaisons de couleurs variées. Quelques tentatives d'uniformisation ont vu le jour, selon les régions, notamment par l'écriture de normes.

Le tableau ci-dessous regroupe un certain nombre de combinaisons de couleurs rencontrées dans différents pays.

Code couleur Triphasé[1]
Pays Phase 1 (L1) Phase 2 (L2) Phase 3 (L3) Neutre (N) Terre (T/G)
Union européenne
Royaume-Uni
     Marron      Noir      Gris      Bleu Vert/jaune
Nu
Europe (ancien)      Noir      Marron      Rouge
     Noir
     Bleu Vert/jaune
Nu
Royaume-Uni (ancien)
Afrique du Sud
Malaisie
     Rouge      Jaune      Bleu      Noir Vert/jaune
     Vert
Nu
États-Unis (commun)      Noir      Rouge      Bleu      Blanc
     Gris
     Vert
Vert/jaune
Nu
États-Unis (alternative)      Marron      Orange      Jaune      Gris
     Blanc
     Vert
Nu
Canada (officiel)      Rouge      Noir      Bleu      Blanc      Vert
Nu
Canada (installations isolées)      Orange      Marron      Jaune      Blanc      Vert
Nu
Australie
Nouvelle-Zélande
(AS/NZS 3000:2000 §3.8.1)
     Rouge      Blanc
     Jaune (désuet)
     Bleu      Noir Vert/jaune
     Vert
Nu
République populaire de Chine      Jaune      Bleu
     Vert
     Rouge      Marron      Noir
Vert/jaune
Nu
Code couleur Monophasé
Pays Phase (L) Neutre (N) Terre (T/G)
France (Ancien)      Vert
     Jaune
     Bleu
     Rouge
     Noir
     Gris
     Blanc
Inexistant ou à partir de 1969

     Rouge
     Noir

France (Actuel)      Rouge
     Noir
     Orange
     Violet
     Gris
     Marron
     Ivoire
     Bleu Vert/jaune
Nu
Câble monophasé avec terre ; ici la phase est rouge, le neutre bleu, et la terre jaune/vert

Il est bon de rappeler qu'un code couleur n'est viable que s'il est respecté par tous ; dans le cas contraire, on risque de gros dégâts.

Dans certains cas (anciennes installations des pays Scandinaves, sortie des transformateurs du Royaume-Uni, et quelques autres cas) les deux câbles d'une prise domestique peuvent être des phases soit venues du réseau triphasé, soit en sortie de transformateur monophasé (s'il n'est pas relié à un potentiel neutre). Cela est à déconseiller.

En Europe[modifier | modifier le code]

En Europe et au Royaume-Uni, la norme est désormais d'employer le triplet marron-noir-gris (              ) pour les phases, et de réserver le bleu (    ) pour le neutre, tandis que le fil de terre peut être soit vert liseré de jaune () soit être à nu.

Cependant, on trouve encore d'anciennes installations faisant usage du rouge (    ) pour les phases, voire du blanc (    ), le blanc étant parfois également utilisé pour le neutre... Pour éviter toute confusion, la norme NF C 15-100 interdit maintenant l'usage de fils blanc.

Notes et références[modifier | modifier le code]

Notes[modifier | modifier le code]

  1. un en monophasé, deux en biphasé et trois en triphasé
  2. Les tolérances de fréquences étant différentes
  3. redresseur + onduleur
  4. Comme dans les salle de bain
  5. Pour deux raisons :
    - on identifie les fils par leur couleur, mais si la convention n'est pas respectée on peut croire que le fil est neutre alors qu'en fait c'est un fil de phase ;
    - même si le fil est bien le neutre, sa connexion avec la terre peut être suffisamment lointaine pour qu'il existe une différence de potentiel notable : en pratique, on peut mesurer plusieurs dizaines de volts par rapport au sol.
  6. Attention : jouer a toucher le fil est un risque important et potentiellement mortel, la grande majorité des installations ayant une référence a la terre plus ou moins proche.
  7. voir l'article sur les prises électriques pour plus de détails

Références[modifier | modifier le code]

  1. (en)Three-Phase Electric Power, sur le site cableorganizer.com - consulté le 9 octobre 2012

Voir aussi[modifier | modifier le code]

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Articles connexes[modifier | modifier le code]