Qu’est-ce que la masse électrique ?

En terme légal, selon le décret N° 88-1056 du 14 novembre 1988, la masse est :

"La partie conductrice d'un matériel électrique susceptible d'être touchée par une personne, qui n’est pas normalement sous tension mais peut le devenir en cas de défaut d'isolement des parties actives de ce matériel".

C’est donc une partie conductrice d’un circuit, d’un ensemble de circuits, ou encore d’une structure ou d’un ensemble de structures métalliques, dont le potentiel électrique doit être nul. C'est-à-dire qu’on peut mesurer une tension électrique à partir de cette partie conductrice.

De ce fait, la mise à la masse permet l’équipotentialité entre les divers appareils et les structures métalliques qui se trouvent à l’intérieur d’un même bâtiment, ou d’un véhicule. C'est-à-dire que chaque appareil et chaque carcasse métallique qui s’y trouve, est relié aux autres appareils et châssis, et que –par cette liaison- tous sont portés à une même tension de référence. Pour que cette tension reste nulle, même en cas de défaut électrique d’un des appareils, l’ensemble de ces masses reliées entre elles doit être connecté à la terre.

La mise à la terre permet ensuite d’annuler ou au minimum de réduire les risques de décharges électriques dans les installations industrielles,  domestiques, et autres. (Comme par exemple à bord des véhicules) Chaque pièce d’un bâtiment doit donc être équipée de prises de terre, où devraient également être reliées les conduites d’eau, les gouttières, les charpentes métalliques, les armatures des constructions en béton, etc. Toutes ces masses métalliques doivent être reliée entre elles, pour former une masse électrique, quidoit être elle même reliée à une prise de terre.

Cependant, la liaison à la terre n’est pas toujours possible, notamment à bord de certains véhicules : Sur un bateau, la coque est simplement en contact avec l’eau, ce qui la porte à un potentiel nul. A bord d’une voiture, d’un camion ou d’un deux roues, il n’y a pas de mise à la terre. C’est ce qui explique que l’on peut ressentir une décharge d’électricité en y prenant place ou en la quittant. On peut toutefois remédier à cela en utilisant un fil antistatique ou bande de mise à la terre, afin de relier le châssis du véhicule au sol pour le porter a un potentiel nul. Les véhicules ferroviaires sont eux reliés en permanence à la terre par le contact avec le rail. Enfin, la liaison à la terre est évidemment impossible à bord d’un avion, mais on relie la carlingue au sol avant un embarquement ou un débarquement, pour la porter au potentiel nul. Impérativement, on procède de même avant le remplissage d’un camion citerne, pour éviter tout embrasement ou explosion.

Pour saisir la différence entre la masse et la terre, il faut comprendre que la connexion de masse permet l’équipotentialité, c'est-à-dire la mise au même potentiel de plusieurs appareils, circuits et structures métalliques, alors que la terre permet de maintenir ce potentiel à zéro volt. La masse est donc une nécessité technique, alors que la terre est un impératif de sécurité.

Symboles électriques de la masse et de la terre

Selon les normes électriques, que ce soit en électricité du bâtiment, en électroménager, en électronique ou en électricité industrielle, on utilise du fil de couleur vert et jaune pour la connexion à la masse, comme pour la prise de terre. Toutefois, du fil non gainé ou de la tresse métallique nue peuvent aussi être utilisés, puisque ces passages ne devraient normalement pas être porteurs de charges électriques, ou dans le cas contraire permettre leur dissipation directe vers le sol.

C’est d’ailleurs la vocation même des circuits de terre et de masse : l’électricité choisit toujours le chemin le plus direct et le moins résistif vers la terre. C’est pour cette raison qu’en cas de défaut électrique d’un appareil, on pourra le toucher sans ressentir de décharge –et donc sans danger- s’il est bien relié à la terre.

Comment mettre un appareil à la masse ?

Dans un circuit électrique alimenté en courant continu, on relie toujours un des deux fils d’alimentation à la carcasse métallique de l’appareil, c'est-à-dire à la masse : par convention, c’est invariablement le négatif, alors que le positif est isolé. Les matériels électroniques constitués de plusieurs circuits interdépendants, nécessitent cette masse comme référence de potentiel, pour pouvoir fonctionner correctement.

En courant alternatif, la phase et le neutre sont tous deux isolés, et donc non reliés à la masse. Seul le châssis de l’appareil est relié à la terre de la prise secteur.

Exemples d’application

Filtrage de signaux indésirables

Un cas précis de l’utilité de la masse électrique -toujours à condition qu’elle soit reliée à la terre- est le filtrage des signaux sinusoïdaux par un filtre dénommé « passe-bas ». Ce filtre permet de bloquer les fréquences élevées indésirables en les court-circuitant à la masse, tout en laissant passer les fréquences basses que l’on souhaite conserver (d’où son nom). Ce circuit très simple est constitué d’une résistance R placée en série dans un circuit, puis d’un condensateur C mis en dérivation. Le calcul de ce filtre est donné par la formule :

fc = 1/ 2 ¶ RC 

fc est la fréquence de coupure, exprimée en Hertz. La valeur de la résistance R est donnée en Ohms, et celle du condensateur C en Farad. On arrondira 2 ¶ à 6,28.

Ce type de filtre permet notamment de supprimer un sifflement aigu dans un circuit audio, ou d’éliminer les fréquences harmoniques dans un circuit d’alimentation.

Il existe d’autres cellules différentes, qui permettent à l’inverse de supprimer les fréquences basses (filtre passe-haut), ou de supprimer à la fois des fréquences élevées et d’autres basses (filtre passe-bande), ou encore de filtrer certaines fréquences définies, tout en en laissant passer certaines autres, plus basses et aussi plus hautes (filtre réjecteur).

Dans tous les cas, les fréquences indésirables doivent être évacuées à la terre, ce qui nécessite impérativement une liaison préalable à la masse. Dans le cas contraire, ces signaux non souhaités stagneraient dans le circuit, ce qui impliquerait l’inefficacité du filtrage, voire un danger dans certains cas.

La liaison à la masse et à la terre, si elles ne font pas véritablement partie des cellules de filtrage, en sont un complément obligatoire pour leur fonctionnement correct.

Elimination des rayonnements, courants perturbateurs, et hautes fréquences, par le blindage de masse

Le blindage de masse est une enveloppe métallique reliée à la masse, et qui entoure certains circuits électroniques, afin soit de les protéger de rayonnements perturbateurs, soit d’empêcher que ces circuits n’émettent eux-mêmes des signaux parasites. Pour être efficace, le blindage de masse doit être relié à un réseau de masse électrique, lui-même relié à la terre.

Certaines installations électriques ou électroniques peuvent être, par nature, génératrices de signaux indésirables et perturbateurs pour les autres installations se trouvant à proximité.

Un exemple connu est le rayonnement produit par les lignes électriques à haute tension et les transformateurs relatifs à ces lignes. Le passage à leur proximité peut être perçu par un poste radio et gêner la réception de certaines fréquences. En théorie, un blindage de masse éliminerait ces perturbations en les envoyant à la terre. En pratique, il n’est évidemment pas possible d’isoler ces lignes qui sont à ciel ouvert. On a pallié ce problème en généralisant l’utilisation de fréquences radio plus élevées – qu’on appelle la bande FM- qui sont moins sensibles à ces rayonnements, et cela au détriment de bandes de fréquences plus basses, dites grandes-ondes et petites-ondes, désormais de moins en moins utilisées.

Cependant, les rayonnements parasites existent toujours, bien qu’on ne les perçoive plus. On a simplement contourné le problème.

Des perturbations semblables sont aussi produites par les alimentations électroniques dites « à découpage », (Régulation électronique par commutation, utilisés pour leur rendement élevé) telles que celles utilisées dans les micro-ordinateurs, mais dont l’usage s’est aussi généralisé dans l’électronique grand public dans les dernières décennies. Au début de l’utilisation des alimentations à découpages, les problèmes dus aux rayonnements perturbateurs étaient nombreux. Depuis, on a progressé dans le filtrage de ces circuits (voir filtres passe-bas, paragraphe précédent) et on a généralisé les blindages, les connexions de masse, et la mise à la terre.

Pour éviter ou limiter les problèmes de rayonnement parasites, on veille à placer certaines installations dans des locaux particulièrement bien connectés à la masse et à la terre, voire même dans des enceintes métalliques confinées et constituant un réseau de masse quasi-hermétique aux signaux externes et aux rayonnements. On obtient ainsi l’effet d’une cage de Faraday.

C’est en particulier le cas des salles informatiques et des serveurs web, des émetteurs radio et télévision, des transformateurs du réseau EDF ou d’installations industrielles, etc.

Les laboratoires de mesures électriques ne créent pas de brouillage, mais au contraire sont sensibles aux perturbations externes. C’est pourquoi ils en sont également protégés par le même procédé de blindage.

Les connexions de masse et les blindages électriques optimaux sont réalisés au moyen de feuillards ou de tresse de masse. C’est pour cette efficacité reconnue qu’on trouve un blindage par tresse métallique dans tous les câbles qui véhiculent des signaux faibles et sensibles aux perturbations électriques. Notamment pour exemple, les câbles d’antennes de télévision, où circulent des signaux faibles et à des fréquences élevées, sont composés d’une âme centrale où transitent les signaux haute fréquence, entourée d’un blindage tressé concentrique, fait de cuivre ou de cuivre étamé.

Les circuits de masse et de terre pour la protection contre la foudre

La mise à la masse et à la terre des installations est d’une importance primordiale pour la protection contre la foudre. Elle permet de décharger toutes les structures métalliques qui pourraient être touchées par la foudre, directement ou de façon inductive.

Par contre, une installation parafoudre sera impérativement reliée à une terre distincte et éloignée de celle servant aux installations électriques, aux châssis et aux armatures métalliques du bâtiment.

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Comment relier des appareils, des circuits et des carcasses métalliques à la masse ?

Cette liaison pourrait se faire par du câble électrique, mais le plus souvent on utilise de la tresse de masse. La tresse présente l’intérêt d’une meilleure souplesse, et elle se prête mieux aux flexions ou torsions mécaniques. Par exemple, la tresse plate permet de relier de façon optimale deux surfaces perpendiculaires d’un boitier électrique ou encore le châssis métallique d’un moteur à une autre structure conductrice (rail ou gouttière électrique), et plus généralement des plans désaxés entre eux.

Pour être efficace, une connexion de masse doit être la plus courte possible, et avoir une surface de contact maximale : De par sa forme en nappe, la tresse de masse est le conducteur le plus adapté à cette utilisation.

En outre, la tresse présente une impédance beaucoup plus faible qu’un fil ou un câble réalisé dans le même matériau, particulièrement à fréquence élevée. Ceci implique une résistance moindre, et donc un meilleur contact électrique. L’impédance du feuillard est encore plus réduite, mais ce dernier est beaucoup plus rigide et n’offre pas la flexibilité de la tresse.

La tresse est donc bien le conducteur de prédilection pour les connexions de masse.

La tresse de masse existe en des dimensions standard ou peut être réalisée sur mesure, dans différentes largeurs, longueurs, et épaisseurs, en fonction des dimensions des structures qu’elle doit relier, et des tensions et intensités qu’elle permet de véhiculer. On parle encore du courant de court circuit à la terre, dont dépend le dimensionnement de la tresse. Il est variable selon qu’on utilisera la tresse pour relier le moins d’une batterie de voiture à la masse, pour une utilisation sur une installation industrielle ou domestique, ou encore pour une protection contre la foudre.

Le matériau utilisé pour la tresse de masse est généralement le cuivre, pour sa bonne conductivité, et pour sa malléabilité.

Afin d’éviter l’oxydation, la tresse en cuivre peut être étamée. Il existe aussi des tresses en aluminium. Ce matériau est moins bon conducteur et est mécaniquement moins flexible que le cuivre, mais il présente l’avantage d’être moins altérable. La tresse d’aluminium est d’une utilisation moins courante.

La fixation de la tresse se fait au moyen de trous sertis, où seront introduites des vis de connexion. La longueur de la tresse est généralement définie par l’entraxe de ses deux trous. Le diamètre des trous est proportionnel aux dimensions de la tresse, et il définit la taille des vis à utiliser.

La forme de la tresse peut être plate ou ronde.

En fonction de son utilisation, les caractéristiques mécaniques de la tresse sont donc :

  • Le type, tresse ronde ou plate
  • Les dimensions : longueur, largeur, épaisseur
  • La section
  • La longueur entre axes
  • Le diamètre des tous
  • Le matériau : cuivre, étamé ou non

Des tresses adaptées à toutes connexion de terre et de masse, sont disponibles chez Maltep, dans des dimensions standard, mais aussi sur mesure, pour des sections allant de 6 mm² à 240 mm², ou davantage.

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