Ppotentiel9otentiels, Équipotentielles,
Neutre et protections

1 La matière
2 Isolants et conducteurs
3 Potentiel
3.1 Différence de potentiel
3.2 Prise d'un potentiel
3.3 Nécessité d'équilibrer
3.4 Gradients de potentiel
3.5 Couples électriques

4 Équipotentielles
4.1 Arc
4.2 Sécurité
4.3 Quelques obligations
5 Fixation des potentiels En THT
5.1 Nécessité
5.2 Le triphasé
5.3 Fixation des potentiels des phases
5.4 Sécurité en ce domaine
6 Potentiels en distribution électrique
6.1 Le neutre et la sécurité
6.2 Transformateurs
6.3 Onduleurs
6.3.1 Onduleurs Off-line
6.3.2 Onduleurs On-line

6.4 Groupes électrogènes portables
7 Alimentation des automates
8 Autres courants et Fréquences
9 Conclusions

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Avant-propos

J'étais sur un forum dédié aux énergies renouvelables, et j'ai constaté qu'il y a quelques bêtises racontées au niveau électrique. L'électricité est pourtant extrêmement présente et importante dans notre vie de tous les jours.
Sans vouloir faire "Monsieur je sais tout", car je suis malheureusement loin de tout savoir, il m'a semblé tout de même utile de repréciser quelques éléments de base de l'électricité parfois même, mal connus des électriciens du secteur tertiaire.
Je ne suis pas électrotechnicien de formation, mais de la branche parallèle de l'électronique. Ceci veut dire que je ne peux apporter que des informations généralistes, mais j'aurai l'honnêteté de le dire si je ne connais pas parfaitement quelques points de réalisation électrotechnique.
Néanmoins les principes de base restent toujours présents et bien réels.
Pour que tout un chacun puisse comprendre, il n'y aura pas de formules savantes, ni de grandes théories style démonstration de la loi d'Ohm.
En effet si à la fac de sciences en première année de MP en 1968 on "démontre la loi d'Ohm", et qu'on "lance des satellites", mais que l'on n'est pas capable de rechercher le moindre problème sur sa propre installation électrique, je ne pense pas que cela soit très utile et directement profitable à la Société.
Ceci n'est pas une critique des programmes, mais je veux dire que cela n'intéressera pas 95% des étudiants dans leur vie active. Bien entendu il en faut pour tout le monde, et c'est la culture générale qui compte...Oui, Oui... mais le pragmatisme reste ma devise (par opposition à l'abstraction).
Pour être un acteur complet et opérationnel, il faut je pense être réellement capable de mettre en œuvre ce que l'on a appris. Que penser d'une personne qui vous dirait faites comme je vous dis, mais qui ne l'aurait jamais fait ?
Sur ce point je sais répondre !
La réalité est toujours très différente de la théorie, et seule la compréhension et la réflexion permettent de trouver le chemin (d'une "certaine sagesse").
Dit d'une autre façon, votre patron doit nécessairement avoir fait ce que vous faites (ou l'équivalent), pour avoir une idée assez claire de la différence entre théorie et pratique.

Bien entendu, cette entrée en matière est aussi une critique non déguisée contre les têtes trop bien pleines qui pensent tout connaître. On oublie trop souvent qu'il faut aussi parfois des mains, et surtout RÉFLÉCHIR, ne serait-ce que pour tenir les pointes de touche du multimètre ou mettre les mains dans le "cambouis".

1 La matièrPOTENTIEL1e

Je suis désolé, de ce petit retour à la physique, mais il est nécessaire pour bien comprendre. Je vais essayer de le rendre un peu plus attrayant et "digeste" pour tous.
L'atome est la plus petite structure de la matière. Les différents arrangements d'atomes simples constituent les molécules (ClNa, le sel de cuisine par exemple, un atome de Chlore et un atome de Sodium). …Vous vous souvenez ?
Allez un petit schéma et ce sera le seul pour la partie théorique. On va prendre un corps simple choisi spécifiquement pour le sujet des isolants et des conducteurs : le CUIVRE conducteur par excellence (Cu) (Les éléments en jaune et en rouge sont seulement symboliques. Le nombre exact est indiqué dans la légende)

Mais revenons aux atomes…Un atome est constitué d'un noyau (jaune et rouge) lui-même constitué de protons, contenant des charges électriques positives et de neutrons (Sans charge électrique). (Ce n'est plus tout à fait la réalité à ce jour, car on découvert d'autres particules, mais là ce n'est plus mon domaine, ni l'objet de cet article)

Sur des orbites concentriques autour du noyau, et dans des plans différents et variables, se "promènent" des électrons qui tournent à grande vitesse autour. Il y a autant d'électrons que de protons (heureusement car c'est l'équilibre électrique d'un atome). Cette représentation est seulement symbolique, car elle est un peu fausse au niveau de la mécanique quantique, mais à notre niveau d'explication, elle est bien suffisante et assez facile à comprendre.

Suivant différents paramètres, les électrons de la dernière couche électronique seront plus ou moins fortement "liés" au noyau par des forces d'attraction autour duquel ils gravitent. Ils pourront donc s'échapper pour "aller vivre une vie plus incertaine de vagabonds"... (Mon vieux proverbe "loin des yeux loin du cœur")

À l'aide d'une énergie plus ou moins importante qui dépendra de la température, de la distance au noyau (notion de couche électronique) et de la nature de cet atome (métal, métalloïde…Fe, Cu, As, etc…), les électrons périphériques d'un atome vont pouvoir "migrer" de leur noyau d'origine.

L'électron étant la plus petite particule, il a pourtant une masse (assez faible de 9.1 10E-31 Kg et une charge électrique exprimée en Coulomb de 1.6 10E-19 C).
Les protons et les neutrons concentrent l'essentiel de la masse d'un atome. Ceux-ci sont 1847 fois plus lourds qu'un électron. (Proton et Neutrons ont une masse presque égale).

Un atome est dans les cas normaux électriquement neutre. En réalité, pour certains matériaux, il l'est seulement durant une partie du temps. Je m'explique :
Suivant l'activité énergétique de l'instant, un électron peut quitter assez facilement la dernière couche et rejoindre la couche électronique externe d'un autre atome à cause de forces de "cohésion" trop faibles.
Mais cet état a une conséquence, il rend l'atome donneur d'un électron, POSITIF électriquement puisqu'il a perdu un électron (négatif), et en conséquence rend l'atome receveur NÉGATIF puisqu'il a gagné un électron.

Ces états de "démence atomique" ne durent en général pas très longtemps, car la nature aime avant tout les équilibres. Alors dans cette agitation atomique, chaque atome déséquilibré va chercher à retrouver un équilibre de ses charges électriques. Il le fera grâce à ses voisins, et ainsi de suite…
La matière n'est immobile totalement qu'au zéro absolu (-273° C). A toute température supérieure, il y a agitation avec des déplacements de charges plus ou moins faciles suivant la nature du matériau et de la température comme déjà indiqué.
Quelques références :
http://pagesperso-orange.fr/guy.chaumeton/2d04ch.htm

Ainsi dans les anciens tubes électroniques (les vieilles lampes) une cathode chauffée au rouge et recouverte de terres rares maintient dans son voisinage un "nuage d'électrons" appelé charge d'espace. Les électrons sont éjectés par la température élevée.

2 Isolants et conducteurs

La différence entre isolants et conducteurs de l'électricité est essentiellement située dans la facilité ou non à capter ou donner un électron de la couche externe (Dans les conditions "normales" de température).

Un matériau qui accepte ou reçoit facilement un électron est un CONDUCTEUR, par opposition, celui qui refuse "toute compromission" avec ses voisins est un ISOLANT !

A quoi cela est-il dû ? Cela est essentiellement dû aux forces qui s'exercent entre le noyau et les électrons (forces de cohésion. (2 corps d'état électrique contraire s'attirent)). On remarquera aussi, bien évidemment que les forces, outre la température et la nature de l'atome, dépendent aussi très étroitement de la DISTANCE. Ainsi plus la dernière couche des électrons est éloignée du noyau, plus l'attraction du noyau sera faible, et donc le corps pourrait être un bon conducteur électrique.
On notera aussi que chaque couche électronique ne peut recevoir qu'un nombre maximum d'électrons relativement à sa position par rapport au noyau. (2,8,18,32,50,72,98). Ce nombre maximum est identique pour une majorité de "corps simples communs", et tant qu'une couche n'est pas complète, la couche suivante n'est pas remplie. (Il y a cependant quelques exceptions). Ainsi en exemple normal, pour le cuivre, la 4ème couche a un seul électron et les couches précédentes sont complètes ! 

Une migration d'électrons ne sera possible en général, que depuis la dernière couche électronique (orbite), car les niveaux d'énergie sont nécessairement dans une progression graduelle (gradient) et le passage d'un électron d'une couche à une autre nécessite de l'énergie ou provoque une restitution d'énergie (loi de conservation de l'énergie dans la matière)

Pour résumer... la libération d'un électron demande de l'énergie, et à l'inverse, le retour d'un électron sur son niveau sera accompagné de la restitution de cette même énergie, mais souvent dans une forme différente (Rayonnement électromagnétique de lumière visible ou d'autres longueurs d'ondes).
Le dicton très juste entendu de si nombreuses fois à l'époque de mes "culottes courtes" était :
"rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme"

Le courant électrique n'est donc qu'un déplacement d'électrons de proche en proche. Un générateur maintient entre ses bornes des charges + d'un côté et – de l'autre. A la fermeture du circuit un courant va circuler pour tenter de rétablir un équilibre des charges électriques.
(Notez donc au passage que le sens conventionnel (du plus vers le moins) du courant est l'inverse du sens électronique.)
Dans un fil de cuivre la vitesse de déplacement des électrons sera de 273 000 Km/s (selon wikipédia) .Ces petits "grains" ayant tout de même une petite masse vont tout de même très très vite..!

3 Potentiel

3.1 Différence de potentiel

Le paragraphe précédent nous amène directement à cette notion. Plus les charges seront en nombre important aux bornes d'un générateur, plus il y aura une différence de potentiel élevée. En effet sur quelques milliards d'atomes, si un seul atome a perdu un électron au profit d'un autre, cela ne va "pas changer la face du monde" !
Par contre, si la quasi-totalité des atomes sont dépourvus d'un électron d'un côté, et que d'autre part, les autres en ont un de trop, cela commence à faire beaucoup de différence, et pour retrouver une situation d'équilibre, dans la nature par exemple, il va y avoir "arrachage" d'électrons au milieu ambiant (l'air) et ionisation.
Un arc jaillit alors pour tenter de résoudre le problème de déséquilibre électrique. Il y a une différence de potentiel importante à l'origine de cet éclair. 
C'est par exemple les éclairs d'un orage. L'éclair est un canal ionisé qui va permettre un transfert très important de charges pour réduire les différences entre les zones. Durant l'éclair la différence de potentiel s'écroule, car l'éclair est équivalent à un court-circuit et un important courant de milliers d'Ampères y circule.
(Un ion est un atome ayant perdu ou gagné un électron)

Dans cet exemple de l'orage qui est certainement la meilleure illustration pour la suite, il y a des nuages chargés +, d'autres chargés – et la terre est à priori assez stable électriquement. (équilibre global des charges)
Les nuages vont tenter de s'équilibrer soit en interne, soit avec leurs voisins (éclairs entre nuages) ou tenter de céder quelques charges à la terre. Les charges ne se perdent jamais, et il faut comprendre que c'est un équilibre GLOBAL qui est réel au niveau de la planète (Un atome ne peut pas "disparaître"). Les déséquilibres locaux sont par exemple représentés par les orages.
Pour représenter cette notion abstraite de globalité, il est possible d'imager qu'un déséquilibre électrique à New York mettrait de l'ordre de 15 à 20 ms pour se compenser par Pékin si nécessaire...!
Tous ces déséquilibres sont le plus souvent le résultat de l'apport d'une énergie (énergie thermique, lumineuse, chimique, mécanique etc…) En effet pour libérer un électron de sa couche électronique, il faut de l'énergie.
Par opposition, lorsqu'un électron retrouve sa place il va restituer l'énergie qu'il avait acquise pour se libérer. Se souvenir que la terre est une immense machine thermique actionnée par le soleil.

3.2 Prise d'un potentiel

Revenons à l'orage,…J'ai parlé de nuages + et -.
Cela signifie qu'il y a des charges présentes ou absentes dans un nuage, et que la charge électrique sera en conséquence + ou -.

Si l'on considère un nuage en équilibre de charges (électriquement ni + ni -), le potentiel d'un premier nuage voisin électriquement chargé, sera pris relativement à lui. Il représentera une certaine tension.
Si au contraire c'est un nuage (ou une partie) qui est de charge opposée, le potentiel mesuré sera la différence entre les deux.

En résumé il est plus souvent utile de prendre RÉFÉRENCE par rapport à une situation stable que de prendre référence à quelque chose d'instable. Il ne vous viendrait pas à l'idée de prendre en référence de potentiel la bande de tissu bleu du drapeau qui flotte sur le palais de l'Élysée…

Nous avons beaucoup mieux que cela, nous avons le sol…La TERRE.
Le terme important est ici RÉFÉRENCE, car si une tension existe entre deux points, on prend le plus souvent l'un d'eux en référence pour exprimer le potentiel du second relativement au premier. C'est le principe de la mesure d'une tension.

Le terme tension est plus particulièrement appliqué à un CIRCUIT, alors qu'un potentiel référence plus des notions théoriques et l'électricité statique (charge électronique). Une différence de potentiel (ddp) est équivalente à une tension. Mais ces notions sont plus délicates qu'il n'y parait, et je me rangerai plus volontiers vers le jargon habituel des praticiens sans me perdre dans la théorie de la mécanique quantique que j'ai seulement effleurée par le passé.

Habituellement tous les potentiels d'éléments seront donc exprimés relativement à cette terre. La terre est conductrice de l'électricité. Il faut aussi comprendre que nous vivons à la surface de cette terre et que nous ne pourrions risquer de nous faire "foudroyer" à chaque coin de rue.
On comprend de façon simple, que ce qui nous entoure doit être proche de ce potentiel de référence à peu près stable qu'est la TERRE.
Dans le cas contraire il y aurait des éclairs partout, ce serait "SOS Météores de Blake et Mortimer !"

Ainsi on parlera du potentiel d'un élément quel qu'il soit, relativement à la terre. Votre stylo ne peut pas être à un potentiel très élevé par rapport à la terre, car sinon vous auriez vite fait de le lâcher.
Il en sera ainsi de tout ce qui nous entoure, y compris des fils de cuivre qui conduisent l'énergie électrique domestique  à nos appareils "électriques"…mais cela nous guide vers le paragraphe suivant.

3.3 Nécessité d'équilibrer

Si vous aviez une étincelle permanente entre un des fils de votre prise courant et la terre ou le  carrelage, ou votre parquet, j'ai quelques doutes sur l'utilité de l'électricité dans ces conditions ! Il sera donc dans tous les cas nécessaire de FIXER LES POTENTIELS de tous les éléments qui nous entourent pour pouvoir "vivre en paix avec les électrons".

Cela se réalisera par la fixation des potentiels (Ce qui revient à équilibrer les petits nuages + et – par des fils conducteurs (court-circuit)) par rapport à la terre, en permettant l'écoulement des charges.

Anecdote :
En arrivant à votre travail, vous mettez la clef dans la serrure de la belle porte en aluminium, là, "Paf" une étincelle, un petit bruit et une bonne secousse. Ceci est l'exemple type d'une "châtaigne" en hiver quand l'air est très sec (isolant, car peu de passages de charges entre atomes) et que vous avez d'excellentes chaussures isolantes en crêpe.

Que s'est-il passé ? Suite aux frottements, vous avez accumulé des charges (+ ou -) suivant vos vêtements. Vous n'êtes plus du tout électriquement neutre.
L'action de placer la clef sur la porte en aluminium (très bon conducteur solidaire électriquement de la terre) va autoriser le passage d'un courant et l'équilibrage des charges entre la terre et vous.

Habituellement les chaussures "de ville" avec semelle synthétique sont suffisamment isolantes pour éviter l'écoulement de ces charges "électrostatiques" vers le sol. Dans ce cas et en présence d'air sec, les charges restent localisées sur la personne et ne peuvent se neutraliser qu'au moment où on place la clef dans la serrure. Ce fait est amplifié très certainement lorsque l'on quitte la voiture et que nos vêtements ont frottés et se sont largement chargés d'électricité statique durant le trajet. On peut également peut-être remarquer qu'il y aussi un CONDENSATEUR qui s'est chargé avec une certaine quantité d'électricité. Si l'on diminue la capacité en sortant du véhicule, pour une charge constante, la tension va augmenter. (Q=C*U ou U=Q/C si C diminue U augmente)
Pensez aussi aux camions citernes ravitailleurs d'essence qui doivent vider dans des cuves électriquement au potentiel stable de la terre…
(Je n'ose pas encore utiliser le terme de potentiel "Neutre" pour ne pas confondre avec le conducteur qui porte le même nom)

Alors pour se protéger et pouvoir profiter de cette énergie électrique si pratique, il va falloir assurer les écoulements de charges électriques accumulées.

3.4 Gradients de potentiel

Cela n'est pas directement en rapport avec les problèmes de fixations des potentiels, mais cela explique comment trouver le potentiel d'un élément entre deux éléments situés à des potentiels différents. (Gradient signifie une progression avec croissance (ou décroissance dans le cas d'une régression).

Supposons une ligne à haute tension (HT) sur pylône. Juste en dessous et parfaitement isolé, nous allons tendre un fil conducteur de 1 mètre, à 1.5 mètres du sol (de la terre) dans le même plan qu'une des phases, mais isolé à chaque extrémité. Supposons que la ligne soit à 63  KV et que sa hauteur soit à 22 mètres du sol.
Quel serait le potentiel de ce petit bout de ligne de 1 mètre de longueur ? Eh bien 63/22*1.5=4.3 KV. Est-on déjà mort ? non pas encore ! Car il s'agit seulement d'un potentiel, avec un courant très faible, et en tous cas très inférieur aux 30 mA de sécurité, mais cela devrait se sentir tout de même.

Le gradient de potentiel va représenter le potentiel théorique qui se développerait tout le long de ces 22 mètres de hauteur de la ligne. Ainsi, si on plaçait le fil à 3 mètres de hauteur, son potentiel serait de 8.6 KV, un peu plus piquant mais inoffensif.
Je n'irai pas plus haut car la prudence est toujours de rigueur...
Être sous des lignes à très haute tension est toujours inquiétant, car à ces tensions les lignes peuvent être bruyantes, car l'air est ionisé autour des conducteurs, et des bruits de micro-arcs se produisent (effet couronne).
Voilà pour cette image des gradients de potentiels. C'est assez simple à comprendre et cette notion est utilisée lors des calculs pour s'assurer de l'absence d'amorçages (calculs de rigidité diélectrique).

3.5 Couples électriques

Là aussi, cela n'est pas directement en rapport avec les potentiels, mais c'est une réalité que l'on ne peut pas ignorer, qui fait partie de l'électricité au sein de la matière et les applications en sont nombreuses.

Un couple électrique (tension très faible de quelques dizaines microvolts à quelques dizaines de millivolts par degré) naît lorsque l'on met en contact deux métaux différents, Fer et cuivre par exemple. C'est aussi appelé effet de pile ou électrolyse, et les manifestations peuvent même "s'apparenter aux courants vagabonds" qui peuvent parfois naître spontanément ou de part des activités humaines (trains électriques par ex).
La principale application est la mesure de température, mais la protection des métaux en est également un dérivé. (Article wikipédia)

La principale anecdote à citer est la sortie d'eau chaude des cumulus. Pourquoi seulement cette sortie est corrodée ? La chaleur augmente la tension et une micro électrolyse a lieu entre le raccord  laiton et le fer de la tubulure.
On se protège de ce phénomène par des raccords isolants qui évitent d'avoir deux métaux différents en contact.

4 Équipotentielles

Fixer tous les potentiels des structures (métalliques) conductrices, relativement à une référence connue représente donc un élément important qui va permettre d'écouler les charges électriques. La référence qui sera prise, sera pratiquement toujours le potentiel stable de la TERRE.

4.1 Arc

En cas d'absence de référence à un potentiel stable, les tensions entre des éléments et la terre peuvent évoluer dans des plages de valeurs assez imprévisibles, qui sont représentées par la charge initiale ou un potentiel imposé par un gradient et la capacité par rapport à la terre. Ceci suivant la seule formule rappelée : Q=C*U.

Si cette capacité (qui reste très faible) vient à diminuer encore (par exemple par l'augmentation de distance), la tension va vite devenir très élevée. A l'extrême limite, des arcs peuvent jaillir et …C'est pourquoi les camions d'essence sont systématiquement mis à la terre avant raccordement (pour qu'il n'y ait aucune charge et donc impossibilité d'avoir un arc et d'enflammer les vapeurs d'essence résiduelles.

Distances d'arc : On considère de façon très empirique une distance d'amorçage de 1 centimètre pour 10 000 Volts. Cependant cette distance dépend de l'état de l'air (humidité) du profil des éléments (pointes) et très certainement d'autres paramètres que je ne connais pas, mais que l'on peut imaginer assez facilement (présence d'ions, de poussières, etc…).
Naturellement cette valeur n'est en aucun cas une valeur de sécurité, car celle-ci doit être très surdimensionnée pour éviter les accidents (voir intervention EDF sur 20 KV et les précautions prises)

4.2 Sécurité

Le corps humain est particulièrement sensible à l'électricité et sa résistance est assez faible. Un courant de 30 mA est limite d'être mortel. (Disjoncteur 30 mA ça ne vous dit rien ?) (voir tableau wikipédia)
Considérer que c'est le courant qui tue et non la tension, mais c'est à peu près équivalent de faire le parallèle entre débit et pression. (En réalité la tension va induire un courant….)

Ainsi des charges électriques conséquentes, ponctuelles ou entretenues ne doivent pas stationner sur des équipements, car elles peuvent induire des accidents mortels.

Dans ces conditions on réalise ce que l'on appelle des équipotentielles (sous entendu à la terre). Une équipotentielle signifie de façon sémantique "mettre à un même potentiel". Notre seul potentiel stable existant et de sécurité est la terre. Alors pourquoi tenter autre chose ? (Mais cela arrivera pourtant dans le cas très précis de la protection cathodique -qui n'a rien à voir avec la protection des personnes-)
Ceci permettra d'éviter les accidents par contact sur des éléments conducteurs initialement isolés du sol.

La mise à la terre des véhicules par une bande conductrice à l'arrière des véhicules, et frottant sur la route, très en vogue il y a quelques décennies n'est pas du tout inutile d'un point de vue des charges (peut-être inutile pour les nausées ?). Seule l'efficacité réelle du contact avec la route pourrait être misepotentiel10 en doute.

Dans un domaine adjacent, certaines chaussures de sécurité ont, soit des semelles conductrices, soit parfaitement isolantes. L'utilisation dépendra du métier exercé (conductrices en zone Ex, et isolantes pour les personnels électriciens par exemple).

Voici une mesure de résistance effectuée suivant les conditions de la photo (pointes de touche piquées dans le talon) et la valeur est de 400 Mohms pour une tension de mesure de 100 V. Ces chaussures sont qualifiées de "Antistatiques". (il y a aussi des modèles de chaussures isolantes et conductrices norme EN ISO 20347 en normes additionnelles)

4.3 Quelques obligations

Toutes les tuyauteries entrantes ET sortantes dans des immeubles (et pas seulement l'eau potable, mais le chauffage urbain, le gaz, fuel domestique…etc) doivent être l'objet "d'équipotentielles". C'est particulièrement le cas des établissements recevant du public (ERP), crèches, hôpitaux, administrations…
Pour les tuyauteries en plastique, c'est le premier élément conducteur (raccord métallique ou pièce) qui sera mis à la terre. On suppose en effet que le fluide circulant est conducteur, (ce qui est vrai pour l'eau).

Ceci n'est une norme comme cela vient d'être signalé, mais une recommandation de sécurité car  mettre stupidement le plastique à la terre n'est pas une solution. Le bons sens ne s'achète pas, mais se décline sous différentes formes.
Attention cet article n'a jamais parlé de normes à ce niveau mais de principes seulement !

La mise à la terre des différents éléments des citernes métalliques (même enterrées).

Les équipotentielles sont nécessairement réalisées sur UN SEUL POINT, car mettre plusieurs points équivaut à créer des chutes de potentiel le long des fils de liaison. Cela peut même créer des retours indésirables de courant. (Il est par contre possible de créer des surfaces conductrices enfouies qui favorisent les écoulements de charges).
Le câblage sera toujours réalisé en forme d'étoile, et non sous forme de "bus".

Ces équipotentielles ont également des actions en dehors de la prévention des accidents par électrocution, car elles vont modifier les phénomènes d'électrolyse et de l'attaque des métaux. Il faudra veiller à ce que le sens des échanges d'ions se réalise pour une protection des structures métalliques dans le cas de la protection cathodique.
Cette protection cathodique est quelques fois utilisée pour protéger les colonnes d'exhaures dans les puits en nappe alluviale et bon nombre d'ouvrages métalliques au sol.

Pour toutes les pièces métalliques diverses, mais aussi pour tous les générateurs électriques, il est presque toujours nécessaire de fixer le potentiel d'UNE des bornes d'un générateur. (L'autre borne "suivra" à la tension générée près)
Dans le cas contraire, le potentiel pris par rapport à la terre "sera ce qu'il peut être" en fonction des différentes charges (condensateurs virtuels) qui existent par rapport à la terre.

Il peut être impératif de fixer ces potentiels car des tensions très élevées peuvent naître si une des bornes des générateurs devait s'élever outre mesure.
La raison humaine majeure est le risque d'ÉLECTROCUTION des personnes. Pour ce faire, la mise au potentiel de la terre d'un élément permet de mettre en oeuvre les disjoncteurs DIFFÉRENTIELS et autres dispositifs de protections ou de surveillance.

Cette élévation de potentiel peut être aussi une cause de destruction d'un générateur par RUPTURE DES ISOLANTS (rigidité diélectrique). C'est la raison technique principale qui nécessite cette fixation des potentiels (outre la sécurité des personnes déjà mentionnée).

5 Fixation des potentiels En THTpotentiel11

La raison des lignes THT est dûe à la loi d'Ohm U=RI. En basse tension il faudrait des lignes de si forte section que le poids de cuivre serait prohibitif. Il suffit donc d'élever la tension pour limiter les pertes. C'est la raison de ces lignes THT.

5.1 Nécessité

Ainsi qu'il a été expliqué, l'absence de fixation de potentiel d'une des bornes des générateurs peut amener la destruction des isolants entre les bobinages et la carcasse métallique du générateur ou des transformateurs.

Outre ces destructions d'isolants, des arcs aux éclateurs seraient non seulement de la perte d'énergie, mais surtout destructeurs, car ces éléments sont conçus pour des nombres limités de fonctionnements.
Ces fonctionnements avec arcs, outre les perturbations inévitables sur les tensions restent anormaux.

Les pylônes eux-mêmes sont le plus souvent "rappelés" au potentiel de la terre par des fils conducteurs (cuivre ou aluminium) pour permettre l'écoulement des charges et ainsi assurer une protection en cas de contact.
(La structure acier n'est pas suffisamment bonnepotentiel6 conductrice, et les assemblages mécaniques ne sont pas des liaisons électriques sûres. Dans la photo ci-dessus, seul un pied est rappelé par un double fil à la terre noyé dans le béton, mais devant certainement se terminer par une plaque enfouie ou un piquet sous la fondation ?)

5.2 Le triphasé

EDF pour son transport d'énergie n'utilise que 3 fils (3 phases) Il peut y avoir parfois un 4ème fil (de même section) de rappel à la terre dont je suppose sur cette photo qu'il s'agit d'un neutre, car il est rappelé à la terre de façon régulière ?.

Il y a aussi des câbles de garde (photo) sur les lignes THT, situés au sommet des pylônes et plus fins que les phases, réunis à la terre et qui devraient normalement protéger les câbles de transports d'énergie des chocs électriques (foudre)potentiel5.

Ces 3 fils (phases) sont essentiellement dus, ainsi que déjà expliqué dans un autre article, à la meilleure structure de remplissage des encoches des alternateurs et permet en outre la création de champs magnétiques tournants très importants pour les moteurs (En BT le plus souvent cette fois).

Dans ses grands transformateurs, EDF au niveau de ses postes source, (63 KVolts) doit également positionner l'ensemble de ses machines et carcasses métalliques à la terre.

On remarquera également une grande règle de sécurité qui est de mettre à la terre ce qui ne sert pas à un instant donné. Ainsi la coupure d'une alimentation met automatiquement l'aval à la terre, ce qui fixe les potentiels et prévient les accidents par retours électriques (cas des groupes électrogènes ou onduleurs)

Les fils conducteurs d'énergie, sont également fixés en potentiel relativement à la terre. Je ne connais pas spécifiquement la méthode, mais je pense qu'il y a au moins deux méthodes. La première en étoile avec le Neutre à la TERRE, ou capacitive (?), de façon à ce que l'ensemble reste à un niveau acceptable.
En cas de surtension due à la foudre par exemple, des éclateurs à arc permettent de limiter les tensions et d'éviter de percer les isolants. Les isolants utilisés dans ces équipements de production/transport sont des huiles spéciales (dont le pyralène est interdit maintenant) et plus spécialement en ce domaine des très hautes tensions, l'hexafluorure de soufre sous pression.

5.3 Fixation des potentiels des phases

Le NEUTRE est (presque ?) toujours absent au niveau du transport d'énergie, (>=63 KV) car c'est une économie substantielle au niveau des métaux, et une parfaite inutilité au niveau  technique.
Cela, quelque soit le type de couplage en ÉTOILE ou TRIANGLE. potentiel12
On notera qu'en ÉTOILE, sur un réseau parfaitement équilibré, (ce qui est toujours le cas en Haute Tension), le NEUTRE qui peut exister en interne aux transformateurs, n'est pas nécessaire.
Il peut cependant servir à fixer le potentiel de chacune des phases par rapport à la terre.

Cette partie technique de réalisation m'échappe un peu, mais ce dont je suis (presque) certain, est qu'une fixation des potentiels est obligatoire. (NEUTRE à la terre ou positionnement capacitif ??? à voir ?) Peut-être des techniciens d'EDF pourront compléter mes lacunes sur la réalisation pratique...
Ce point m'ayant interrogé également, au cours d'un voyage vers les usines de production sur le RHIN, j'ai pu réaliser une photo sur le barrage d'OTTMARSHEIM, sur l'élément qui devrait répondre à cette question.

Pourtant je ne connais pas la nature de ce cylindre creux, conducteur ? isolant ? partiellement conducteur ?
De toutes façons, le fil du bas part vers les fondations du barrage et donc la terre !

5.4 Sécurité en ce domaine

Dans ce domaine des THT, peu d'interventions se réalisent sous tension sur des équipements au sol. La redondance des installations permet d'effecteur des travaux d'entretien hors tension.

La sécurité des personnes est essentiellement représentée en THT, par la possibilité d'arcs avec une personne au sol dans les stations. Ces arcs de surtensions accidentelles sont donc obligatoirement à jaillir sur les éclateurs prévus à cet usage.
Il y a donc bien nécessité en THT à ce que les phases gardent un potentiel stable relativement à la terre. Ce potentiel ne devant être dépassé qu'en cas de surtensions diverses, auquel cas, les éclateurs à arc assureront leur action de limitation par écoulement des charges.

6 Potentiels en distribution électrique

6.1 Le neutre et la sécurité

Nous arrivons maintenant sur notre bon vieux 220 V. Le 220Vpotentiel3 est obtenu par les transformateurs des postes 20 KV/220V qui sont répartis pour chaque groupe d'usagers (villages ou ensembles de zones, grandes entreprises…etc)
Le 20 KV arrive au transformateur de livraison par seulement 3 phases SANS neutre ! Des para-surtenseurs (fonction équivalente à des éclateurs à arc) 20 KV évitent la destruction du transformateur en cas de choc électrique (surtension).

Ces transformateurs sont le plus souvent en cuve remplie d'huile diélectrique. Ils peuvent être simplement fixé au dernier poteau 20 KV ou au contraire posés au sol dans des abris béton ou tôlés. (Remarquez le fil qui part à la terre sur ces transformateurs aériens (H61), La masse métallique de la cuve et du boitier interrupteur est souvent commune avec la mise à la terre du Neutre du secondaire du transformateur)

Les secondaires sont presque toujours en étoile avec comme tension simple 230 Volts entre une phase et le neutre (220V est plus une valeur générique et historique que réelle)
La tension composée est alors non pas de 380 V (valeur générique) mais de 400 Volts. (Valeur entre phases = valeur phase/neutre * 1.732).

Le NEUTRE possède plusieurs façons d'être raccordé et utilisé, mais cette description sera certainement mieux expliquée sur d'autres sites et fait moins partie de l'aspect des potentiels.
http://www.regime-de-neutre.fr/

Je vais seulement mentionner les plus courants : TT, TN, TNC, IT.

Régime TT, c'est le plus habituel.
Le neutre est le plus souvent proche du potentiel de la terre (à quelques volts près). Il est raccordé à la terre côté secondaire du transformateur. On remarquera que la mise à la terre du neutre au transformateur est normalement séparée de la mise à la terre de la protection des équipements métalliques locaux. (Pas le cas des H61)
(De façon pratique, on remarquera que la mise à la terre du neutre après un disjoncteur différentiel peut très souvent faire disjoncter une installation, du fait que la tension développée au point d'utilisation n'est pas tout à fait nulle (quelques volts)).

Régime IT
Ce régime ne peut être rencontré que chez les grands consommateurs en tarif vert qui possèdent leur propre transformateur 20KV et ont donc la maîtrise du neutre issu du transformateur. C'est le seul régime pour lequel le neutre n'est pas directement rappelé à la terre.
Cependant son potentiel relatif à la terre est surveillé par un CPI (Contrôleur Permanent d'Isolement) branché aux bornes d'une impédance. A remarquer que cette impédance, souvent configurable, n'est traversée que par les courants de fuite.
Pour limiter la montée en tension, un éclateur à arc est installé sur la liaison Neutre/Terre. Cet éclateur parfaitement calibré et de forte section maintiendra coûte que coûte le neutre à une tension inférieure à 250 Volts le plus souvent. Ceci implique que la phase en défaut serait alors à un potentiel de 230+250= 480 Volts efficaces. Les autres phases décalées de 120° ne devant jamais atteindre ce potentiel.
(On remarquera également que le raisonnement en valeurs efficaces est fondamentalement une erreur dans le cas des amorçages, car ce sont les valeurs de crête (Valeurs efficaces multipliées par racine de 2) qui vont provoquer un amorçage.
Le régime IT est celui des grandes installations qui ont toujours au moins un défaut latent ou des courants de fuites élevés. (Stations de pompage, hôpitaux, usines…etc)

Ces différents régimes de neutre permettront aux usagers de l'énergie électrique d'avoir un réseau dont le potentiel par rapport à la terre est tout à fait stable et connu. Cela évitera des électrocutions tout en assurant un fonctionnement ininterrompu.

(Une parenthèse pratique concernant le régime IT est son inadaptabilité native à tous les équipements comportant des condensateurs à la TERRE en tête, avant transformateur. (Cas des antiparasites, filtres et condensateurs associés). Valeur de tension de claquage des condensateurs prévue pour des régimes TT). Pour l'explication en régime IT, avec un problème de fuite, une phase peut grimper à 300 Volts par rapport à la terre, alors qu'une autre ne sera qu'à 150 volts...La tension d'isolement des condensateurs est toujours établie pour les régimes TT où toutes les phases sont en parfaite symétrie par rapport à la terre.

6.2 Transformateurs

Les transformateurs 50 Hz ont tous les points communs suivants :

Une carcasse en fer feuilleté, des enroulements en cuivre et des isolants. A partir de cela, les proximités imposées peuvent créer divers amorçages.
Les tensions entre masse, primaires et secondaires doivent être examinées de façon très précise pour que les isolements ne soient pas hors limites.
L'isolation entrée / sortie dans un transformateur est un élément essentiel et toujours recherché. Même dans ces cas très spéciaux, les valeurs de tensions doivent être fixées aux valeurs prévues mais également par rapport à la terre.

On distinguera les autotransformateurs des transformateurs. Dans ces premiers, l'isolation galvanique entre primaire et secondaire n'existe pas, puisqu'il s'agit d'un enroulement à prise intermédiaire. Seule l'isolation par rapport à la masse subsiste.

6.3 Onduleurs

Il y a deux grandes familles d'onduleurs, dont les principes sont très différents : Les onduleurs off-line et les onduleurs On-line. (Quelques familles intermédiaires existent aussi)

6.3.1 Onduleurs Off-line

Dans ce type d'onduleurs les appareils connectés fonctionnent normalement sur le secteur. En cas d'absence de tension secteur, une batterie fournit l'énergie à un oscillateur qui reconstitue la tension secteur. La batterie est en charge permanente pour un courant dit de floating durant la présence du secteur. Au moment de la coupure du secteur, un relais rapide bascule l'utilisation sur la partie onduleur. Il y a donc une micro coupure qui peut affecter certains appareils sensibles, et durant ce temps de commutation qui est très court, il est fort probable que les potentiels des bornes d'utilisation soient très "incertains".

Dans cet aspect, il est extrêmement important que la référence des potentiels soit la même pour les appareils branchés, car des différences pourraient amener des perturbations (ordinateurs et appareils électroniques).
Ainsi la position réelle du neutre est extrêmement importante, et il est fortement conseillé de suivre les spécifications des fabricants, pour que le neutre reste "à sa place" (sans être permuté avec la phase).
Dans ces conditions les perturbations de fonctionnement des appareils alimentés resteront limitées.

Se méfier aussi des petits onduleurs individuels sur des réseaux triphasés, car en cas de coupure, les instants de commutation peuvent être différents suivant les phases et des problèmes "différentiels" peuvent survenir avec les serveurs informatiques.

Ce type d'onduleur off-line est utilisable seulement en SECOURS et ne peut pas subvenir au secteur manquant sans micro-coupure. Il a l'avantage d'un coût très réduit, par rapport au principe On-line, car le chargeur de batteries est de très petite taille. (Recharge 80 à 90% en 10 heures minimum)
On comprendra que durant le temps de commutation il y a une interrogation concernant la détermination des potentiels sur chaque fil de l'utilisation.

6.3.2 Onduleurs On-line

Pour ce type, l'alimentation électrique des appareils connectés est toujours assurée par la fonction d'ondulation (jamais par le secteur en direct). Il y a ISOLATION GALVANIQUE entre le secteur et les appareils branchés.
Le chargeur de batterie est d'une taille conséquente puisqu'il doit alimenter non seulement la charge de la batterie (en 10 heures également) mais aussi et surtout l'utilisation pour la charge nominale prévue (puissance en KVA). Ces onduleurs sont très chers, mais de grande qualité électrique.
Cette fois les potentiels peuvent être fixés une fois pour toutes et rien ne se passe à la coupure du secteur, d'un point de vue des potentiels. Seule la batterie n'est plus rechargée.
Dans cette situation, il est impératif d'assurer une protection des personnes en reconstituant un mini-réseau électrique "secouru" avec Neutre et Phase et les protections idoines.

C'est en quelque sorte un générateur en tous points identique à un transformateur EDF.

Peu de personnes se soucient de ces éléments et laissent les choses "se débrouiller" mais remarquent souvent des problèmes mal identifiés surtout avec les équipements électroniques qui supportent mal les transitoires.

Il faut dans cette situation constituer une référence proche de la terre et assurer la protection des personnes mais aussi des équipements.

Les onduleurs pour le photovoltaïque ont les mêmes particularités, mais cette fois, je suppose que c'est EDF qui fixe le potentiel du neutre par ses propres installations (à vérifier car c'est seulement une hypothèse plausible). Ces onduleurs ont en plus des autres onduleurs des spécificités de stabilité de fréquence, de phase et de forme d'onde.

6.4 Groupes électrogènes portables

Là aussi, cela a déjà été évoqué dans l'article correspondant. Un groupe électrogène (modèle portable) posé au sol va prendre un potentiel qui lui est propre et les fils de distribution vont en général se situer en valeur moyenne de tension par rapport à la terre.
(Cela ne se présente pas avec les groupes de forte puissance qui sont toujours obligatoirement installés en fixe et correctement raccordés).

Il est toujours nécessaire de fixer les potentiels, avec en premier la masse métallique du groupe lui-même, et en seconde priorité d'utiliser une des bornes pour la mettre à la terre et de pouvoir utiliser un disjoncteur différentiel.

Habituellement les fabricants de petits groupes, proposent une des bornes comme neutre. Pourquoi ?
Tout simplement parce que dans les isolations des enroulements de phase de la machine, un pôle est "plus près" de la masse que l'autre, et en conséquence, un amorçage exceptionnel serait plus facile.
Il y a lieu de s'y conformer pour la longévité de l'appareil. (En général les fabricants ont tout de même prévu le croisement phase/neutre, et les isolants sont assez solides pour résister, mais ce n'est pas une raison !)

7 Alimentation des automates

Les automaticiens font partie de la famille des électrotechniciens mais ont une fâcheuse habitude de laisser les alimentations 24 V des automates en potentiels flottants par rapport à la terre. Je suis fortement opposé à cette pratique qui, si elle n'est pas dangereuse EN THÉORIE (24 V) peut se révéler l'être suite à la prise d'un potentiel élevé que rien ne pourrait laisser prévoir et qui ne sera jamais détecté par une fuite quelconque (surtout en régime IT).
Il est tout à fait possible que l'un des fils du 24V soit porté au potentiel du secteur 230 Volts, et dans ce cas, le 24 V peut tuer en cas de contact entre le "24 Volts" et la terre.
Pour la stabilité des composants, je recommande de fixer le potentiel d'une des bornes à la terre. Ainsi en cas de contact accidentel, les dispositifs de sécurité pourront agir, et surtout cela mettra à l'abri des perturbations, l'électronique et les différents appareillages sensibles.

8 Autres courants et Fréquences

En dernière précision, tout ce qui a été dit concernant la sécurité des personnes est vrai particulièrement pour la fréquence de 50 Hz. Dès que l'on atteint des fréquences de l'ordre de 400 Hz (générateurs aviation) un phénomène de répartition des courants à la périphérie des conducteurs intervient (effet de peau). On ne parle plus alors de résistances mais d'impédances. Le corps humain voit ainsi son impédance monter dans un rapport important et les courants dangereux à 50 Hz, le beaucoup moins à 400 Hz.

Au delà de ces fréquences, il ne subsiste plus que l'effet de peau, qui occasionne seulement des brûlures superficielles de la peau sans atteindre les fonctions vitales profondes.

A contrario en courant continu, les valeurs dangereuses sont encore plus faibles qu'à 50 Hz, car si l'on parle d'impédance à 400 Hz, il y en a tout de même à 50 Hz, assez faible, mais qui vient en complément de la résistance. En courant continu, c'est la résistance pure qui va jouer, et là ce courant traverse toutes les fonction vitales du corps.
Enfin si la nature alternative du courant à 50 Hz permet d'arrêter facilement les arcs par le passage zéro, ce ne sera pas le cas en courant continu puisque les tensions sont permanentes, et les arcs pourront être "tirés" sur des distances très importantes.

9 Conclusions

Fixer les potentiels est une grande nécessité physique qui dirige toute l'électrotechnique, mais aussi une grande partie de l'électronique des automatismes et de l'informatique. Ceci dirige également l'aspect sécurité des personnes.

Un monde où tous les potentiels seraient flottants serait un monde extrêmement dangereux et parfaitement invivable.
Alors pensez à mettre à la terre, vos équipements et structures métalliques. Et lisez avec intérêt la Norme de l'UTE  C18-510. (Union Technique de l'Électricité)

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