Phase (électricité)

En électricité et en électronique, le mot phase est utilisé dans différents contextes, tous relatifs aux courants électriques alternatifs.

En électricité, le mot phase désigne les « canaux » d'une même source de puissance alternative, entre lesquelles il existe un déphasage (deux à 180° en monophasé et trois à 120° en triphasé).

Par assimilation, les électriciens basse tension utilisent également le mot "phase" pour désigner le(s) conducteur(s) actif(s) d'une alimentation alternative. Dans les installations domestiques c'est le conducteur qui est, normalement, câblé avec un fil de couleur vive (rouge, orange). En général c'est le ou les fils[N 1] conducteurs, qui sont appelés fils de phase, sur lesquels on peut mettre en évidence la présence d'une tension électrique alternative avec un "testeur de phase".

En électronique, on parle de décalage de phase lorsqu'il existe un décalage angulaire entre des signaux de forme sinusoïdale, mis en évidence par un oscilloscope. Si le passage par la valeur zéro ainsi que par la valeur maximum est simultanée, on dit qu'ils sont en phase.

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

En phase

Deux tensions alternatives (sur deux fils différents) sont en phase (ou en opposition de phase) lorsqu'elles passent à la valeur zéro simultanément[1]. Ceci peut être facilement mis en évidence en utilisant les entrées X et Y d'un oscilloscope pour afficher les courbes de Lissajous.

Par contre, le décalage dans le temps du passage à 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

La production de l'énergie électrique de puissance étant en général centralisée, sa distribution est conditionnée par le problème 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 a finalement 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. Par ailleurs le transformateur permet aussi d'abaisser la tension pour obtenir une « tension raisonnable » pour l'utilisateur final.

Si l'usager domestique du courant électrique est habitué à voir celui-ci arriver sur deux fils d’alimentation (monophasé), 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), de ce fait 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 4^e fil, par exemple, un moteur triphasé, même en étoile, tourne sans ce dernier. Le 4^e fil, appelé « neutre » devrait avoir un potentiel nul par rapport à la terre, néanmoins les courants telluriques et autres phénomènes d'électricité naturelle font que ce n'est pas toujours le cas.

Fil électrique monophasé - Phase (marron) - Neutre (bleu) - Terre (jaune & vert).

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 phases et le neutre.
Pour des raisons historiques, certains réseaux de distributions fournissent du triphasé 230 V et dans ce cas, l'usager reçoit son monophasé 230 V entre phases plutôt qu'entre phase et neutre[2]. Un réseau domestique alimenté en triphasé doit équilibrer ses différents circuits monophasés sur des phases différentes de façon à équilibrer la consommation globale sur chacune des phases.

Synchronisation d'un alternateur

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

amener la vitesse de rotation de l'alternateur afin que la fréquence de la tension produite, soit la plus proche possible de celle du réseau a alimenter ;
régler l’excitation de l'alternateur pour que la différence de potentiel entre toutes les phases du réseau et celles de l'alternateur soient minimes (ce qui permet de vérifier que le réseau et l'alternateur sont « en phase ») ;
coupler l'alternateur au réseau lorsque la tension des deux passe, simultanément, à 0 V[N 2].

Une fois couplé au réseau, l'alternateur va rester synchrone mais l'excitation doit être augmentée pour fournir de l'énergie au réseau et non en consommer. Sur le continent européen tous les réseaux sont synchrones, excepté celui du Royaume-Uni qui, bien qu'étant aussi à 50 Hz, n'est pas synchronisé avec le continent[N 3]. Les liaisons d'échange d'électricité sont réalisées par une ligne en courant continu et grâce à des convertisseurs[N 4] installés à chaque extrémité des lignes trans-Manche.

Le conducteur de protection

Le conducteur vert-jaune qui apparait dans certaines prises murales, et quelques plafonniers (essentiellement métalliques), est le « conducteur de protection », ou "PE" (protection earth). Ce conducteur remplit deux rôles :

au niveau du tableau électrique tous les conducteurs de protection sont connectés à une même barrette de terre pour assurer l'équipotentialité des fils de protection[N 5] ;
Son second rôle est d'acheminer les charges statiques, les courants vagabonds et les courants de fuite vers la terre.

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 fil de protection qui est relié à la liaison équipotentielle lui-même relié à la barrette de terre connectée à la terre du bâtiment.

La mise à la terre de l'habitation n'a de 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 la distribuer. Aussi, la terre est elle rarement 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)[3]. Le neutre généralement fourni par le fournisseur est souvent 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

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 :

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 ;
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 ;
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 (pour ces lieux une autre terre locale doit être utilisée) ;
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).

Principes de sécurité :

La sécurité nécessite la mise à la terre locale parce que la mise à la terre du neutre peut n'être faite qu'à distance, voire ne pas exister ; aucune référence à la terre du réseau n'est garantie. 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. L'isolation électrique du réseau n'est utilisée que dans des lieux à haute sécurité (par exemple: salles d'opérations où de légères fuites électriques peuvent avoir des effets désastreux sur un patient[4]). Dans certains endroits, comme un avion, il est évident qu'on n'est pas relié à la terre dès qu'il a décollé !

Une mise à la terre uniquement distante est très dangereuse, du fait des différences de potentiels entre la terre locale (pieds de l'utilisateur) et la 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 (double isolation) ; néanmoins il est préférable que toutes les prises servant à alimenter un appareil électrique extérieur soient protégées par un disjoncteur différentiel 30 mA[N 6].

Le disjoncteur différentiel ne participe pas à l'équipotentialité du système mais il 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 détecté par le disjoncteur différentiel qui coupera l'alimentation électrique[N 7].

Neutre

Le neutre est la référence de potentiel électrique ou de tension pour les phases ; il n'y a qu'un seul neutre commun à toutes les phases. Sa tension est nulle seulement si la charge de chaque phase est identique en permanence, ce qui est rarement le cas. Il est parfois matérialisé par un fil comme dans le cas d'une alimentation domestique monophasée, où le neutre est souvent relié à la terre côté production d'électricité. Il n'est donc en principe pas dangereux de le toucher, même si cela reste fortement déconseillé[N 8].

Une erreur répandue consiste à considérer que le neutre est une phase reliée à la terre[5]. 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 propriétés électriques (pour le transport) et mécaniques (pour la fabrication). En général, en triphasé, on peut se dispenser de transporter le neutre sur les longues distances[N 9] et cela même si le système n'est pas équilibré.

Liaison du neutre à la terre

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 10]. 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 pour contrôler qu'aucun courant de fuite, potentiellement dangereux pour tout être vivant, n'existe dans le circuit.

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. Pour tester ce dispositif il est préférable d'utiliser le bouton prévu à cet effet.

Selon les pays, certaines prises de courant ont un détrompeur qui permet de distinguer le neutre de la phase[N 11]. Pour la sécurité des enfants toutes les prises électriques à leur portée devraient être munies d'un « bouche trou automatique » pour éviter l'insertion de tout objet conducteurs d'électricité dans le, ou les, trous correspondant au fil de phase.

Code couleur utilisé pour les fils électriques

Il est très important de pouvoir distinguer les types de fils électriques (la 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[6]
Pays	Phase 1 (L1)	Phase 2 (L2)	Phase 3 (L3)	Neutre (N)	Terre (T/G)
Union européenne Royaume-Uni Suisse	Marron	Noir	Gris	Bleu	Vert/jaune Nu
Europe (ancien)	Noir	Marron	Rouge	Bleu	Vert/jaune
France (avant 1970)	Jaune	Vert	Blanc	Gris	Rouge
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)[7]	Neutre (N)	Terre (T/G)
France (Avant 1970)	Vert Jaune Bleu Blanc Noir Marron Rose	Gris	Rouge
Union Européenne (Actuel)	Rouge Noir Orange Violet Rose Gris Marron Ivoire Blanc	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

En Europe et au Royaume-Uni, on emploie par convention, selon la norme HD 308 S2 (repérage et utilisation des conducteurs de câbles souples et isolés) établie par le Comité européen de normalisation en électronique et en électrotechnique (CENELEC)[8] - [9] - [10] repris par la norme la NF C 15-100 en France :

en triphasé, le triplet marron, noir et gris ( ) pour les phases, mais en monophasé, le rouge est couramment utilisé ;
le bleu ( ) est réservé pour le neutre (si le bleu n'est pas disponible, par exemple en grosse section, du noir peut être utilisé avec un marquage bleu aux extrémités[10]) ;
le vert liseré jaune ( ) pour le fil de terre/conducteur de protection (si le vert-jaune n'est pas disponible, par exemple en grosse section, du noir peut être utilisé avec un marquage vert-jaune aux extrémités[10]).

Notes et références

Notes

Un en monophasé, deux en biphasé et trois en triphasé.
Ceci peut être effectué, facilement, avec un oscilloscope à 2 entrées.
Les tolérances de fréquences étant différentes
Comprenant deux groupes de redresseur + onduleur
Afin d'éviter que deux appareils proches, mais connecté sur deux prises différentes, puissent présenter une différence de potentiel
Comme dans les salles de bain
Pour la sécurité des personnes le disjoncteur différentiel doit être calibré à 30 mA.
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 le neutre alors qu'en fait c'est un fil de phase ;
- même si le fil bleu est bien le neutre, sa connexion avec la terre peut être suffisamment lointaine de la mise à la terre pour qu'il existe une différence de potentiel notable : en pratique, on peut mesurer plusieurs dizaines de volts par rapport au sol.
Voir l'article sur le triphasé pour les détails
Attention : jouer à toucher le fil est un risque important et potentiellement mortel, la grande majorité des installations ayant une référence à la terre plus ou moins proche.
Voir l'article sur les prises électriques pour plus de détails.

Références

Informations lexicographiques et étymologiques de « phase » (sens B4b) dans le Trésor de la langue française informatisé, sur le site du Centre national de ressources textuelles et lexicales
« Questions fréquentes », sur Sibelga (consulté le 23 février 2022)
« Quelles sont les différentes techniques de mise à la terre ? », sur IZI by EDF (consulté le 20 juillet 2021)
Alimentation électrique dans les locaux à usage médical, sur patrimgest.com, 27 mars 2013 (consulté le 19 juillet 2016).
[PDF]Voir page 5 : Conducteur neutre, sur centrelec.ma, consulté le 14 août 2016.
(en)Three-Phase Electric Power, sur le site cableorganizer.com - consulté le 9 octobre 2012
Phase (L) : « L » renvoie au mot anglais Live (live wire = fil sous tension)
« Code couleur suivant HD 308 S2 » [PDF].
« Harmonisation du code couleurs des câbles rigides et souples à basse tension », nexans.ch.
« Conducteurs selon HD 308 S2 » [PDF].