交流電化

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交流電化(こうりゅうでんか)は、鉄道の電化方式の一つで交流電源を用いる方式。

概要[編集]

単相交流を使うものと三相交流を使うものがある。さらに単相交流には商用周波数(50 - 60 Hz)を使うものと、その2分の1から3分の1の低い周波数を使うものがある。現在、主流は商用周波数の単相交流で、電圧は主に25 kVを使用する。

特徴[編集]

直流電化と比較して、以下のような特徴がある。

送電ロスが少なく地上設備のコストが低い
同一電力送電する場合のロスはおおむね電圧の2乗に反比例することから、電圧はできるだけ高くした方が送電には有利である。交流は変圧器を用いて容易に電圧を変えられるため、1500 - 3000 Vを用いる直流電化の約10倍の高圧が用いられており、送電ロスが少なく変電所間隔を長く取ることができる[1]。さらに、直流電化に必要な整流設備饋電線(架線に並行した電力線)も不要であり、全体として地上設備コストの低減が図れる。そのため、直流電化区間には高い鉄塔を造って特別高圧線や饋電線などを配備している複雑な電線設備から比較して、交流電化区間は一般住宅街並みの電柱の高さに留まっており、シンプルな電線設備である。ただし、高電圧ゆえ地上設備の絶縁距離を長めにとらなくてはならない。
大容量送電が可能
交流は高電圧を用いることから、直流に比して小さい電流での送電が可能である。そのため、負荷電流が直流方式と比べて1/10以下になり、電車線は細いものですむ、したがって、大きな出力を必要とする電気車両への大容量送電に適している。日本の新幹線は高速走行で大量の電力を必要とするため、交流電化を採用した[2]
電動機起動制御のロスが少ない
抵抗制御を用いた直流車では、主電動機に与える電圧を制御するため、抵抗器を用いて一部を熱として捨てていた。これに対し交流車では、電圧を直接制御できるタップ制御やサイリスタ制御が基本となっており、無駄なく電力を利用できる。
粘着係数が高い
交流車は粘着係数が高いという長所を持つ。直流車では低速で電動機を直列につなぐが、電流一定のために、ある電動機で空転が始まってもトルクが下がらず回転数がむしろ上がる傾向になる。一方交流車では一般に並列接続であるので、回転が上がるとその電動機に流れる電流が減少してトルクが下がり、容易に再粘着する。また、以前の直流車で一般的であった抵抗制御では、加速(力行)中に一段ごと抵抗を抜く時に電流が一時的に増大して空転を起こしやすいのに対し、連続的に電圧を変えられる交流車は優位であり[3]、一時は交流電気機関車のD級(動軸数4)は直流電気機関車のF級(動軸数6)に匹敵すると評された[4]
ただし、後に直流車・交流車の区別なくVVVF制御方式が主流となり、再粘着制御が容易に行えることから、この点における交流車としての利点は少なくなっている。
車両コストが高い
特別高圧電動機が使用可能な電圧に下げるため、車両には重い変圧器を搭載しなければならない。また、主電動機は一般に直流を電源として用いるため整流器と重量のある商用電源対応の平滑リアクトル[5]も必要であるほか、集電装置も高電圧対応である必要がある。したがって、車両の製作費およびメンテナンスコストが高くなり、重量も大きくなりがちである。
直流直巻電動機を用いた直流電車においては短時間の最高出力は連続定格出力の4、5割増しの大きなものとなる。しかし交直両用車の場合、コストの制約・軸重制約のため、電動機の最高出力時の消費電力よりかなり容量の小さい、連続定格をやや上回る程度の変圧・整流機器となるため、最高出力は直流時をかなり下回る[6]

以上が交流電化の特徴であり、地上設備と車両のコストに鑑みると、需要が少ない地域の輸送や動力集中方式に適した方式と従来言われてきた。JR在来線のように交流電化と直流電化が混在する場合、交直両用車を使うことになるが、20世紀終盤までは更にコストの高くなる交直両用車では交流電化のメリットはほとんど失われ、デメリットのみが残る傾向があった。

21世紀に入ると整流機器が安価になったことにより直流電化の費用が低下したことに加え、電車化の進展やVVVFインバータ制御により直流電車の性能が向上したため、変電所の設置間隔以外で交流電化のメリットは低下し、新幹線のような大電力の必要な高速鉄道や貨物輸送主体の鉄道以外での交流電化の優位は失われてきている。

交流饋電系統の構成[編集]

交流饋電系統の饋電回路のモデル図。A断路器、B受電用遮断器、C三相二相変換変圧器、D饋電用遮断器、Eエアセクション、F饋電区分所、G帰線、H饋電線又は負饋電線、I電車線、Jレール。

日本の交流饋電系統の饋電回路は、沿線の変電所に一般電力網からの特別高圧系統の三相交流電力を受電し、断路器と受電用遮断器を介して、三相二相変換変圧器で、90度位相差がある2組の単相交流電力に降圧変換して[7] それらを饋電用遮断器を介して方向別又は上下線別に流し、電車線(トロリー線)に給電される。その後、電車(負荷)で使用された電流は、レールから帰線と饋電線又は負饋電線を介して変電所の三相二相変換変圧器に戻る。

三相二相変換変圧器は、当初はスコット結線変圧器が使用され、一般電力網からは66 kV - 154 kVの特別高圧を受電していたが、その後、饋電(通電)距離を長くできるAT饋電方式が開発されたため、一般電力網からはさらに上の187 kV - 275 kVの特別高圧を受電して、変圧器の受電側にある1次側の中性点を直接接地が可能な変形ウッドブリッジ結線変圧器が使用されており、主に新幹線などで使用されている。さらに現在では、変圧器の受電側にある1次側の中性点を直接接地が可能であり、変圧器の饋電側にある2次側の結線を簡単にしたルーフ・デルタ結線変圧器の開発が行われている。また、変圧器の容量は、在来線が6 - 60 MVA程度、新幹線が30 - 200 MVA程度としている。

直流饋電系統とは違い、隣接する変電所の電車線の電圧が等しくても、交流の電圧位相が異なる場合があるため、その場合は並列接続することはできない。そのため変電所間の中間に遮断器などの開閉装置を設けた饋電区分所を設置し、変電所から饋電区分所までの単独饋電としている。新幹線では開業以来隣接変電所同士を互いに同相にして、饋電区分所での自動切り替えを止めて、饋電区分所境界通過時には並列運転として0.3秒間の停電を無くしている。これにより自動切り替えの0.3秒停電は変電所近傍の異相セクションのみになった。

交流饋電系統では、電車線を流れる交流電流による電磁誘導や帰線電流の一部がレールから大地に漏れるなどして、近くの通信線や電話線に電磁誘導障害を発生させる、そのため、通信線や電話線にその対策をするとともに、饋電回路でもレールに帰線電流が流れる区間を限定するなどの処置の他に、電車線と平行して帰線である負饋電線又は饋電線を張り、お互いの磁力を打消し合う方法が取られる。その方法として3 - 4 kmごとに電車線にセクションを設け、そこに電車線と負饋電線との間に吸上変圧器(ブースタートランス)を接続し、電車線の電流により吸上変圧器がレールの帰線電流を強制的に負饋電線に吸上げて電磁誘導障害を軽減させるBT饋電方式、10 - 15 kmごとに電車線・レール・饋電線との間を接続した単巻変圧器を設置して、帰線電流を単巻変圧器を介して饋電線に吸上げて、誘導障害を軽減させるAT饋電方式がある。

また、電圧降下が架線の電圧許容変動範囲よりも大きい線区では、電圧降下対策が行われており、BT饋電方式では、コンデンサを負饋電線に直列に接続して、回路内のリアクタンスの約80 %を補償して電圧降下を抑える方法が取られており、その他にも、負饋電線回路のリアクタンスが小さくなることにより、BTセクションでのアークを抑える効果もある。AT饋電方式では、変圧器のタップサイリスタで高速切替を行い、1段で1200 V程度の電圧が補償される架線電圧補償装置を饋電区分所に設置して、負荷力率の改善を行い饋電回路の電圧降下を抑える静止形無効電力補償装置が設置されている。

沿革[編集]

初期の交流電化[編集]

1903年 ベルリン郊外で運行された三相交流の試験電車。縦に3本の架線を並べている点に注意。
スペイン国鉄ヘルガル-サンタ・フェ線で使用された電気機関車No.3。屋根上のビューゲル先端の集電部は2つに分かれ、2本の架線に接する。2本の架線とレールから三相交流電源が供給される。
ユングフラウ鉄道のパンタグラフ。三相交流のため、2本の架線が並んでいる

電気鉄道は、直流電源を用いる方式ではじまった。しかし市内電車や近距離鉄道には向いていたが、長距離鉄道には変電所の建設や送電のコスト、電圧降下などの問題があった。そのために交流電化を試みるようになる。19世紀末には低電圧の三相交流と誘導電動機を用いた方式がスイス登山鉄道でいずれも1898年開業のユングフラウ鉄道(650 V, 40 Hz、現在は1125 V, 50 Hz)、ゴルナーグラート鉄道(550 V, 40 Hz、現在は750 V 50 Hz)、シュタンスシュタート-エンゲルベルク鉄道(850 V, 33 Hz、現在は単相交流15 kV, Hz)で採用されている。また、ドイツでは1892年よりジーメンス社がこの方式の試験を進めていた。その後、同社やAEGなどが参加した高速電気鉄道研究会の実験路線(ベルリン郊外の王立プロイセン軍事鉄道線を使用)で1903年に電車と電気機関車がそれぞれ鉄道史上初となる200km/h突破 (210 km/h) を達成している(これは当時人類が搭乗可能な交通機関の最速記録でもあった)。

しかし、三相交流電化は架線を複数設置しなくてはならず、また速度制御が難しい。このため、ハンガリーのガンツ社が開発した技術を採用したイタリア北部(3,000 V, 15 Hz、1902年 - 1917年もしくは3600 V, Hz、1912年 - 1976年[8] である程度広域的に使用された例を除くと、1906年に開通した瑞伊国境のシンプロントンネル[8](3000 V, 15 Hz、1930年に単相15000 V, Hzに変更)や1911年に電化されたスペイン国鉄ヘルガル-サンタ・フェ線(5,200 V 25 Hz、1966年に電気運転を廃止しディーゼル化)[8] など局地的なものに終わり、広く普及することはなかった。

一方、単相の交流で交流整流子電動機を直接駆動することも考えられた。この場合、周波数に比例して発生する電機子起電力により整流悪化が発生するため、25 (= ) もしくは (= ) Hzなど周波数の低い交流電気を使用する。欧州では1904年ジーメンスの手によりドイツ・バイエルン地方のムルナウ - オーベルアンメルガウで実施したのがはじまりである。欧州では当初は800 - 6000 V, 25もしくは26 Hz、続いて、5000 V, Hzを経て、15000 V, Hzに落ち着く。この規格は1912年ドイツ帝国プロイセンバイエルンバーデンで幹線鉄道の標準電化仕様として採用され[9]、現在でもドイツ、スイス、オーストリアスウェーデンノルウェーの幹線鉄道で多用されている。独自の送電網を整備する必要があることや、変圧器が重くなるのがデメリットである。同様にアメリカでは1905年ウェスティングハウスの手によりインディアナポリスインターアーバンで3300 V, 25 Hz電化を実施、その後、1907年にはニューヘブン鉄道で11000 V, 25 Hz電化が採用、他にもサウスショアー線(6600 V)、ペンシルバニア鉄道などでも採用された。 しかし、以降は同時期に開発された直流1200 - 3000 V電化で直流整流子電動機を使う方式が主流となり、交流電化はそれほど広まらなかった。

商用周波数方式の実用化[編集]

20世紀初頭になると、商用周波数はドイツで50 Hz、アメリカで60 Hzに統一しようとする動きが出てくる。この周波数のまま電源に用いる方式も考えられた。車内で直流電気を発電して直流電動機を駆動する方式などが考え出されたが、機器類が大きくなり車両重量が増大するなどのデメリットが大きい。交流電化黎明期の1904年にスイスで実用化したものの1年限りで終わり上記の低周波交流電化に切り替えられ、普及しなかった。

本格的なものは、1920年代のハンガリーにはじまる。同国のカンド技師が開発した、15000 V 50 Hzを用いる方式を1923年から試験し、1933年には実用化した。機関車に単相から三相に変換する回転機と、連続で周波数変換を行なう回転機を搭載し、三相交流誘導電動機を駆動するものである。重量などの問題が大きかったが、1948年頃には、極数切替による段階的な周波数変換をし、二次抵抗制御を行なう方式が開発され、軽量化が進められた。

ドイツでも、1936年からドイツ南部のヘレンタール線で、この方式(20000 V, 50 Hz)が試行された。車両の方式は

  • 回転周波数変換・二次抵抗制御で三相交流誘導電動機を使う方式(E244 31号機
  • 変圧器タップ制御で交流整流子電動機を使う方式(E244 21)
  • 単極水銀整流器・変圧器タップ制御で直流直巻電動機を使う方式(E244 11)
  • 多極水銀整流器・格子制御・直並列制御で直流直巻電動機を使う方式(E244 01)

の4種類が試された。

この技術は第二次世界大戦でドイツが敗戦した後に、この地を占領統治したフランスが接収する。その後、1950年頃から自国領内のヴァランジエンヌとティオンブルの間を電化し、試験を続行。1954年には4種類の機関車を作成し実用化した。 これは

  • 高圧タップ切替・水銀整流器を用い直流直巻電動機を使う方式(BB12000形)
  • 変圧器タップ制御で交流整流子電動機を使う方式(BB13000形)
  • 回転機による三相変換・周波数変換機を用い三相交流誘導電動機を動かす方式(CC14000形)
  • 単相同期電動機で直流発電機を動かし、その発生電力で直流直巻電動機を動かす方式(CC14100形)

である。この結果、BB12000形が最も良い結果を納め148両が製造された。 またCC形は、重量貨物機として設計されたものでCC14100が20両なのに対し、CC14000が102両製造されている。

以降、世界的に商用周波数交流電化と、車両上で整流の上で直流電気に変換する方式が広まった。

世界の事例[編集]

単相交流電化を採用している主な国は以下の通りである(新交通システムなどは除く)。なお複数の電化方式を採用している国もあるため、あくまでも目安であることに注意されたい。

国および地域名 周波数 電圧 事業者 備考
中華人民共和国の旗中華人民共和国 50 Hz 25000 V
インドの旗インド 50 Hz 25000 V
イランの旗イラン 50 Hz 25000 V
日本の旗日本 50 Hz 20000 V JR北海道JR東日本ほか (後述)
50 Hz 25000 V JR北海道、JR東日本 東北北海道上越北陸新幹線(一部)
60 Hz 20000 V JR西日本JR九州ほか (後述)
60 Hz 25000 V JR東日本、JR東海、JR西日本、JR九州 東海道山陽九州、北陸新幹線(一部)
大韓民国の旗大韓民国 60 Hz 25000 V 韓国鉄道公社
マレーシアの旗マレーシア 50 Hz 25000 V クアラルンプール近郊
中華民国の旗台湾(中華民国) 60 Hz 25000 V 台湾鉄路管理局台湾高速鉄道
タイ王国の旗タイ王国 50 Hz 25000 V エアポート・レール・リンク
トルコの旗トルコ共和国 50 Hz 25000 V
コンゴ民主共和国の旗コンゴ民主共和国 50 Hz 25000 V
南アフリカ共和国の旗南アフリカ共和国 50 Hz 25000 V TRANSNET
50 Hz 50000 V シシェン - サルダナ(鉄鉱石輸送路線)
ジンバブエの旗ジンバブエ 50 Hz 25000 V
オーストリアの旗オーストリア 16.7 Hz 15000 V オーストリア連邦鉄道
25 Hz 6500 V マリアツェル線
ボスニア・ヘルツェゴビナの旗ボスニア・ヘルツェゴビナ 50 Hz 25000 V
ブルガリアの旗ブルガリア 50 Hz 25000 V ブルガリア国鉄
クロアチアの旗クロアチア 50 Hz 25000 V
チェコの旗チェコ 50 Hz 25000 V 鉄道施設管理公団(SŽDC) 南部国鉄路線
デンマークの旗デンマーク 50 Hz 25000 V デンマーク国鉄
ドイツの旗ドイツ 16.7 Hz 15000 V ドイツ鉄道 高速鉄道(ICE)用の新線(NBS)含む
フィンランドの旗フィンランド 50 Hz 25000 V
フランスの旗フランス 50 Hz 25000 V フランス国鉄 高速鉄道(TGV)用の新線(LGV)含む
イギリスの旗イギリス 50 Hz 25000 V マージーサイドなど
ギリシャの旗ギリシャ 50 Hz 25000 V
ハンガリーの旗ハンガリー 50 Hz 25000 V
イタリアの旗イタリア 50 Hz 25000 V 高速新線の一部
マケドニア共和国の旗マケドニア共和国 50 Hz 25000 V
モンテネグロの旗モンテネグロ 50 Hz 25000 V
ノルウェーの旗ノルウェー 16 2/3 Hz 15000 V ノルウェー国鉄
ポルトガルの旗ポルトガル 50 Hz 25000 V
ルーマニアの旗ルーマニア 50 Hz 25000 V
セルビアの旗セルビア 50 Hz 25000 V セルビア鉄道
スロバキアの旗スロバキア 50 Hz 25000 V スロバキア国鉄(ŽSR) 標準軌線(主に西部路線)
スペインの旗スペイン 50 Hz 25000 V 高速鉄道(AVE)用の新線
スウェーデンの旗スウェーデン 16 2/3 Hz 15000 V スウェーデン国鉄
スイスの旗スイス 16.7 Hz 11000 V レーティッシュ鉄道 ベルニナ線を除く
16.7 Hz 11500 V マッターホルン・ゴッタルド鉄道 (旧フルカ・オーバーアルプ鉄道、ツェルマット鉄道)
16.7 Hz 15000 V スイス連邦鉄道
独立国家共同体の旗CIS諸国 50 Hz 25000 V
アメリカ合衆国の旗アメリカ合衆国 25 Hz 11000 V アムトラック※、SEPTAニュージャージー・トランジット 北東回廊ニューヨーク - ワシントンD.C)、キーストン回廊
60 Hz 12500 V メトロノース鉄道
60 Hz 25000 V アムトラック※、ニュージャージートランジット ※北東回廊(ニューヘイブン - ボストン
60 Hz 50000 V ブラックメサ・アンド・レイクパウエル鉄道 鉄鉱石輸送路線
カナダの旗カナダ 60 Hz 25000 V メトロポリタン交通社 Deux-Montagnes線(モントリオール近郊)
オーストラリアの旗オーストラリア 50 Hz 25000 V クイーンズランド州および西オーストラリア州
ニュージーランドの旗ニュージーランド 50 Hz 25000 V 北島

日本[編集]

日本の普通鉄道では新幹線JR四国を除くJR線北海道東北九州の電化区間の大半と常磐線藤代 - 岩沼水戸線北陸本線敦賀 - 金沢羽越本線間島 - 羽後牛島)、およびJRから経営分離された第三セクター鉄道の一部、首都圏新都市鉄道つくばエクスプレス線守谷 - つくば阿武隈急行線仙台空港鉄道仙台空港線で採用されている。このうち、新幹線、海峡線北海道新幹線との共用区間(新中小国信号場 - 木古内)は電圧25000 V、ほかは20000 V(いずれも単相)が用いられる。

なお、日本国内の商用電源の周波数は、本州中央部を境に西側(北陸電力中部電力関西電力以西)が60 Hz、東側(東京電力東北電力以東)が50 Hzとなっている(商用電源周波数を参照)。これに従い、交流電化も地域により60 Hzまたは50 Hzの2種類が存在する。

一方、新交通システムの一部では低電圧の三相交流が採用され、電圧は600 V(ゆりかもめ日暮里・舎人ライナー埼玉新都市交通伊奈線ニュートラムポートライナー六甲ライナー)である。

沿革[編集]

日本では、戦後全国的に電化を進める際に、路線の電化費用を抑えられる商用周波数による交流電化についての研究が1953年頃から開始された。当初、商用周波数による交流電化が進んでいたフランスから電気機関車などを輸入する計画であったが、日本側は重電メーカが政府に国産を働きかけ、電動機開発成功を機に輸入台数を大幅に減らしテスト機として数両の購入としたのに対し、フランス側は当初の引き合い通り継続的な車両輸入を要求して破談となり、重電業界の求める自力開発が通ったといわれている。

1955年仙山線で試験を実施、1957年9月5日に仙台 - 作並間で営業運転が開始された。この後、旧・日本国有鉄道の新規電化区間のうち、北海道、東北、九州の各地方および茨城県内と北陸本線で交流電化(一部区間を除く)が採用された。この時の電圧20 KVは、当時の直流変電所への標準的な供給電圧であり、日本の特別高圧送電網末端の電圧規格に基いたものである。新幹線の25 KVは送電損失低減からなるべく高い電圧を求めて「国際標準」としてフランスなどヨーロッパ系の供給電圧を採用したものである。

一方で私鉄では、必要な路線はほとんどが1965年頃までに電化されたがすべて直流電化であった。その後も既存区間との直通や、設備投資のコストなどが要因で、交流電化は実施されなかった。 現在でも国鉄またはJRから分離された路線を除くと、首都圏新都市鉄道の守谷 - つくば間と仙台空港鉄道で実施されているのみである。なお、阿武隈急行は元の国鉄丸森線だが、経営分離後の1988年に電化された。そのため、同社が私鉄における交流電化採用の最初の事例となる。

車両[編集]

沿革に記したように、当初フランスから交流電気車(BB12000とBB13000相当)のサンプル輸入を検討したが、諸般の事情により欧州の技術情報を基に独自開発となった。メーカー側は、日本の鉄道事情を考慮して重量級で大型とならざるを得ない電動発電機式や回転式変換機方式ではなく、交流整流子電動機を用いた直接式、または静止形整流器と直流直巻電動機の組み合わせによる整流式を試作した。

1955年に、前者の方式のED44形(のちのED90形 日立製作所製)と後者の方式のED45形(のちのED91形 三菱電機・新三菱重工製)がつくられ、仙山線で試験が行われた。この結果、所期の成果を発揮した整流式の採用が決まった。なお、保守面で問題の多い水銀整流器に代わって、1961年製のEF70形からシリコン整流器が採用され、既存形式も順次載せ替えが行われた。

交流電化当初は交流専用車(ED70形ED71形電気機関車)が開発され使用された。 しかし、国鉄の運用に対する考え方から、交流・直流双方の電化区間を直通できる車両が求められた。そのため、交流電化区間を走る大半の車両(特に電車)が交直流両用車(EF80形電気機関車・401・421系電車など)となった。交直流両用車は高価である上に、直流車の構造を基本にしていることから、粘着係数が高いなどの利点を有しておらず、結果として交流電化のデメリットのみが残った形となった。また交直両用車は変圧器で降圧した単相交流をダイオードで整流して使ったことから交流への逆変換ができず、直流用車両が早期に実現していた高度な制御技術や回生ブレーキ化なども阻んだ。交直両用電車の主制御器は国鉄分割民営化まで、当時国鉄の中でももっとも旧態依然としたCS12形と改良型のCS15形のみだった。651系スーパーひたち)において交直変換に逆潮流(電車線に電力を返す)可能なコンバーターが導入された結果、粘着特性の改善、界磁添加励磁制御による交直両用回生ブレーキの導入が行われたが、これも交流電化ならではのメリットではなく、交流化でも直流車両としての性能を発揮できるようにしただけである。

JR化後の現代においても交直流車両には交流専用車両と同じく、重量のある銅と鉄の塊である主変圧器を搭載しなければならないことから、逆潮流のできるコンバーターとVVVFインバーターとの組み合わせであっても、直流区間においては主変圧器他の特別高圧機器はただの死重にしかならず、またコンバーターの入力電源は直流区間の仕様に合わせる必要が有ることから、設計で考慮すべき事項が増えることとなる。外国の高速列車のように電力供給のふんだんな交流電化新線を高速で走る機能を中心に据え、在来線ターミナル乗り入れに部分出力の直流電化対応機能で済ますといったすみ分けがなされず、両区間とも同等の性能を追求したことから、少なくとも日本において交直流車両のデメリットの本質は現在に至るまでまったく変わっていない。

なお、当初は変圧器の設計周波数により変圧器の構造の最適化を行ったことから電源周波数に応じて異なる形式の車両を準備した(ED70形電気機関車・421系電車・475系電車が60 Hz、ED71形電気機関車・401系電車・455系電車が50 Hz)が、後に両方の周波数に対応できるゆとりをもたせた変圧器の登場により50 / 60 Hz両対応の車両が開発された(EF81形電気機関車・485系電車583系電車415系電車457系電車など)。

交流・直流 直通用の地上設備[編集]

地上切換方式[編集]

駅構内の電気要員の指示で直流と交流を随時切り替える方式。直流専用車または交流専用車を使用することができるが、地上設備が複雑になる。

日本では、直流・交流電化区間の接続第一号である仙山線作並駅と、東北本線黒磯駅奥羽本線福島 - 庭坂間の福島第二機関区付近の本線上)で採用された。作並駅と奥羽本線の切換設備は仙山線および奥羽本線の全線交流化により消滅し、以降は黒磯駅のみに存在するが、こちらも2017年度末を目標に黒磯 - 高久間にデッドセクションを設置し、車上切換方式への切換を予定している[10]

車上切換方式[編集]

交直デッドセクション(無電流区間)を挟んで接続する方式。地上切換方式に比べ地上設備が大幅に簡略化できる。無停車通過を前提とするため、列車自体の到達時間も短縮する。電気車両の直通は、直流専用車両に変圧器と整流器を搭載した交直両用車を用いる事が前提となるため、通過する車両の製造価格が高価につく。

日本においては、両電化区間の列車直通を前提とする常磐線取手 - 勝田間の電化にあたり取手 - 藤代間で採用された。その後、交流と直流の電化区間を接続する標準的な方法として普及する。デッドセクションの通過時は、モーターに電流を流すのを一時停止し、惰性で走行することにより両区間を渡る。交直切替の詳細と地上設備の設置場所はデッドセクションを参照。

その他[編集]

新幹線と商用周波数[編集]

東海道新幹線北陸新幹線は、2つの周波数地域を跨ぐ路線を持つ。このうち東海道新幹線は、東京駅から静岡県内に至る50 Hz地域でも、綱島、西相模の周波数変換変電所に横軸型同期周波数変換機を備えて、60 Hz電源に統一した。開業当時の技術でも両周波数対応の電車を製作することは可能であったが、50 Hz区間は、東海道新幹線の当初の開業時点でも全体の4分の1程度であり、博多開業を想定すると10分の1程度になる。50 Hz対応のために大部分を占める60 Hz区間で無駄となる装備を載せて走ることは不合理となる。開業時点の車両数の少ない時点では、車上で対応した方が安いと試算されたが、将来的な編成数増加の見込みもあって、経済的な観点から地上で周波数を統一する方式を採用することにしたものである [11] [12]。 なお、開業後に浜松町変電所・沼津変電所にも周波数変換機を設けたため、現在は4箇所に周波数変換変電所が存在する。周波数変換はロスが多く、富士川以西から送電線を整備して60 Hzを給電した方が合理的であるが、電力購入先の規制によりやむなくの東京電力の50 Hz電源を周波数変換のうえ使用している。

一方、北陸新幹線は東京 - 高崎で50 Hzを採用する東北新幹線上越新幹線に乗り入れるため、複周波数対応の新幹線車両[13]を使用し、軽井沢駅 - 佐久平駅上越妙高駅 - 糸魚川駅・糸魚川駅 - 黒部宇奈月駅の3か所で50 Hzと60 Hzとを切り替える。

なお異周波接続の方式に関しても、デッドセクションを参照されたい。

直流化[編集]

最初の幹線電化事例である北陸本線については、前後区間や既に直流電化されていた富山港線2006年富山ライトレールに譲渡)はもとより、接続する七尾線小浜線でも直流電化が採用され孤立した存在となっており、列車直通におけるデメリットばかりが目立つようになっていた(高山本線電化計画時にも問題のひとつとなった)[14]。そのため1991年には田村 - 長浜間が直流電化に切り替えられ、さらに2006年9月24日からは長浜 - 敦賀間と、これに接続する湖西線近江塩津 - 永原間も直流電化に切り替えられた。最終的には全区間を直流電化する計画がある。しかし、北陸本線は長大な北陸トンネルが介在することや北陸新幹線の並行在来線となっており、新幹線が開業する区間の並行在来線はJR西日本からIRいしかわ鉄道あいの風とやま鉄道えちごトキめき鉄道へそれぞれ移管、残る敦賀~金沢間も第3セクター鉄道へ移管予定であることなどから、まだ具体的なものにはなっていない。

九州との関係が密な山口県西部でも同様な状況である。国鉄時代に山陽本線中央本線が電化されたとき、山陽本線姫路以西および中央本線多治見 - 甲府間については交流電化とする検討もされていたが、車両運用・所要車両数などを精査した結果門司までおよび中央本線全線を直流とし、九州島内は交流電化とする決定がなされた[15]。電化後は交直両用電車が関門トンネルを越えて運用されていたが、2005年には九州から直通する普通列車西日本旅客鉄道(JR西日本)との境界となる下関駅止まりになったことから、将来は下関 - 門司間の交流化の可能性が考えられる。


茨城県内の電化と地磁気観測所[編集]

常磐線(取手駅以北)・水戸線(小山 - 小田林間の一部を除く)・首都圏新都市鉄道つくばエクスプレス線(守谷駅以北)は、交流電化である。これは茨城県石岡市柿岡に気象庁地磁気観測所があり、直流電流を流すと、レールに流れる帰線電流の一部が地上に漏洩して地磁気観測に影響を与える可能性があるためであり、交流電化であれば、漏洩電流が小さく、観測所の測定機器類が交流電流に対して感度が低いからである。そのため、電気事業法電気設備に関する技術基準を定める省令の各法令[16]によって半径約30 - 40 km以内では直流電化を採用できないためである。

ただし方法によっては直流電化も不可能ではなく、1920 - 30年代において水戸電気鉄道(ただし電化は計画のみに終わる)や常南電気鉄道では、当時の路面電車が多用した複式架線方式で上記の問題を解決しているが、高速運転には不向きである。なお、水戸市を起点とする直流電化路線として1966年まで存在した茨城交通水浜線の対応については不明である。

また1980年代に通勤輸送需要が急増した関東鉄道常総線では、気象庁立会いのもとで直直デッドセクション方式(通電区間を数km単位に細分化し、それぞれの通電区間に1変電所を設置。通電区間毎に絶縁する方式)の試験を行い、この方式ならば直流電化でも地磁気観測に影響がないことを確認した。しかし非常に多くの変電所を建設しなければならないため、コスト的に見合わず、結局電化を断念している(千葉県内を走る内房線は、同様に地磁気への影響が問題となる鹿野山測地観測所近辺の区間を、この方法で直流電化しているほか、常陸太田市日立市を結ぶ直流電化路線として2005年(平成17年)まで存在した日立電鉄線も桜川、久慈浜、常陸岡田の3箇所に変電所をおよそ7 km間隔で設置することで対処していた)。

電車を使用しない例[編集]

国鉄時代には電化区間のみを走行する「架線下DC」列車が数多く存在し、非合理といわれたが、これも非電化区間との車両共用、既存の気動車の活用(高価な交直両用電車新製の抑制)が主な理由であったが、年々悪化する労使関係もその背景にあった[17]。これらのような「電化区間の普通列車がすべて気動車」という例は、かつては湖西線北部、田沢湖線などにも見られ、客車列車のみが電気機関車牽引という例が各地で見られた。他の区間では非電化区間に隣接した電化区間で気動車を間合い運用送り込み運用する程度の細々としたものになっている。

羽越本線では、村上駅 - 間島駅間に交直のデッドセクションが存在するが、管轄の東日本旅客鉄道(JR東日本)新潟支社普通列車用の交直流電車を保有していないため、デッドセクションを通過する特急列車貨物列車は双方の電源に対応した電車もしくは電気機関車による牽引であるが、普通列車はキハ40系系列やキハE120形などの気動車を使用している。かつては電気機関車牽引の客車列車もあったが、動力近代化のため客車列車を廃止して機関車と客車を淘汰する方針により、すべて気動車に置き換えられた。

これ以外では江差線道南いさりび鉄道五稜郭駅 - 木古内駅間)が、同様に電化当初から普通列車の全列車を気動車で運行しているほか、2009年(平成19年)10月から、日豊本線でも佐伯駅 - 延岡駅間を走る普通列車がすべてキハ220形気動車に置き換えられ、2012年(平成24年)10月には、室蘭本線苫小牧 - 室蘭間の普通列車が、特急「すずらん」の間合い運用となる東室蘭 - 室蘭間の普通列車を除き、全てワンマン気動車に置き換えられている。なお、北海道では、海峡線との直通列車を除き、電化・非電化区間に関わらず日本貨物鉄道(JR貨物)の貨物列車ディーゼル機関車が牽引を行う[18]。2017年10月14日に実施する予定のJR東日本ダイヤ改正では、東北本線黒磯 - 新白河間で運行する列車で交直流電車のE531系のほか、キハ110系を使用することを発表している[19][20]

2015年(平成27年)5月に運転開始した仙石東北ラインでは仙石線が直流電化、東北本線が交流電化と電化方式が異なるため、両線を結ぶ連絡線は非電化としたうえで、ハイブリッドシステムをもつ気動車のHB-E210系を新造して、仙石東北ライン専用の車両としている。

肥薩おれんじ鉄道では、路線そのものはJR九州から引き継いで20000 Vの交流電化である。しかし、自社の列車運行は維持経費を削減するため気動車を採用している。電化設備を残しているのは第2種鉄道事業者としてJR貨物、JR九州の列車を通過させるためで、このうち電気運転を行っているのは貨物列車のみである。北陸本線の新潟県内区間を引き継いだえちごトキめき鉄道日本海ひすいラインも、同様に自社の普通列車は気動車を使用しており、貨物列車とあいの風とやま鉄道とJR東日本からの直通列車のみが電気運転をしている。

ここに記述した路線および区間の多くは輸送密度の低い区間であるが、単行運転できる交流電車および交直流電車が2017年現在でも存在しないため、電車では最短でも2両編成にせざるを得ず、運行区間および時間帯によっては2両運転でも輸送力過剰になることがある。このため、交流電化区間において列車の単行運転を行なうには気動車運転しか選択肢がないのが現状である。

ドイツ、オーストリア、スイス[編集]

20世紀初頭より低周波交流(15000 V, Hz)が採用され、幹線鉄道の電化区間の大半がこの方式を採用している。 ドイツの超高速鉄道、ICEもこの方式を採用。一方、都市圏の通勤電車であるSバーンも、大半がこの方式を採用し、都市の地下鉄道での数少ない交流電化区間を持つ。

ナローゲージでも、オーストリア国鉄のマリアツェル線(6500 V, 25 Hz)のように、交流電化の事例がある。

フランス[編集]

第二次世界大戦前は、直流1500 Vによる電化が行われていたが、1952年に商用周波数による交流電化(25000 V, 50 Hz)が実現し、以降の電化区間ではこの方式を採用している。超高速鉄道のTGVも同様である。現在、北部・東部地域の在来線と、LGV全線(TGV用の高速新線)が交流電化である。パリを基準に言えば、サンラザール駅・北駅・東駅から出る列車が向かう地域が交流電化である。また南部や西部でもマルセイユ以東やアルプス地方の一部、ブルターニュ地方などに交流電化の区間がある。なお、近年のフランス国鉄の電気機関車やTGVは交直両用で設計されており、交流専用機はBB15000形を最後に開発されていない。

アメリカ[編集]

現存するものは、低周波方式(11500 V, 25 Hz 旧ペンシルバニア鉄道など)と一般的な商用周波数方式(12500 V, 60 Hz、25000 V, 60 Hz)である。

なお、20世紀初頭にアメリカ各地で発達したインターアーバンでも、低周波交流電化が実施された路線が存在したが、デメリットが多く1910年以降このシステムの採用はなくなる。導入した会社も直流化、ディーゼル化、廃止の方向をたどり、1945年を最後にこの方式の商用周波数交流電化は消滅した。

韓国[編集]

1973年ヨーロッパ(主にフランス)の技術協力により、ソウルと東海岸を結ぶ中央線嶺東線の一部と太白線の電化が実現した(嶺東線はその後、2005年までに全線が電化された)。この区間は山岳路線である上、太白山脈から産出される無煙炭を輸送することから「産業線」と位置付けられていた。25000 V, 60 Hzを採用している。さらにその後、ソウル首都圏の通勤路線(首都圏電鉄→広域電鉄)の電化が進められている。一方で長距離鉄道は、変電所への攻撃を避けるという軍事的理由により、ほとんどの幹線鉄道が非電化のままだった。その後京釜線湖南線高速鉄道KTXの乗り入れのため電化され、他の区間でも電化を進めている。

なお、広域電鉄のうち果川線盆唐線は、世界的にも珍しい商用周波数方式の交流電化を採用した地下鉄である。

台湾[編集]

1970年代後半、イギリスの技術協力により電化が実現した(25000 V, 60 Hz)。長らく西部幹線基隆 - 台北 - 高雄のみであったが、1990年代以降に延伸。現在は西部幹線の基隆 - 潮州、東部幹線の八堵 - 知本が電化され、全路線の約三分の二が交流電化となった。また、台湾高速鉄道も同様の電圧・周波数で電化されている。

その他[編集]

特別高圧の交流電化では架線の半径約 2 m 以内に近寄るだけで感電死する危険がある。留置中の車両の屋根には絶対によじ登らないよう注意を呼びかけているほか[21]、電化されている路線の踏切の電車のマークや「高電圧注意」の標識に加え、架線柱や車両基地には「高圧注意」、「昇柱禁止」と書かれた標識が設置され注意喚起している。また、北陸新幹線のJR西日本管内の5駅では感電の危険性から、改札内での自撮り棒の使用を禁止している[22]

また、七尾線は1991年の電化の際、直通運転される北陸本線が交流電化されているにも関わらず直流が選択された。これは、宝達駅付近にある天井川をくぐる既存トンネルにおいて、高電圧から来る絶縁破壊対策などの費用問題があったためである。このため、北陸本線との接続地点になる津幡駅付近にデッドセクションが設けられ、運行上の起点駅である金沢駅からの交直流電車による運転となっている。これに際して交直両用車両は新造されず、直流電化の北近畿に封じ込められていた485系電車から、不要となった交流用機器を113系電車に移植し、必要両数をまかなっている。

脚注[編集]

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  1. ^ 変電所の間隔は、直流饋電方式の5 - 10 kmに対して30 - 50 kmと数倍になる。
  2. ^ 鉄道車両1編成を走行させる際に必要な電流(A)は「出力(W)÷電圧(V)」で算出できる。例として、16両編成のN700系電車(定格出力:17080 kW)を交流25 kVで走らせる際に必要な電流は683 Aであるが、仮に直流1.5 kVでこれを走らせようとすると11387 Aもの電流が必要となる。
  3. ^ 曽根悟「インバータ制御電車の実用」『鉄道ピクトリアル』465号、10-17頁。
  4. ^ 原勝司「国鉄電気機関車発達史」『電気車の科学』1962年6月号、53頁。
  5. ^ スイッチングコンバーターにおいては高周波で電源をスイッチングするためリアクトルは比較的小さいもので済む。
  6. ^ 外国の例では交流区間での出力をもとにし、直流区間での出力を部分出力とした例がある(TGV_Duplexほか)。
  7. ^ M相とT相と呼ばれている。電圧は、在来線の場合は20 kV、新幹線の場合は25 kVまで降圧される。
  8. ^ a b c 久保敏・宗行満男「誘導電動機式車両のあゆみ VVVF車両に至るまでの90年のチャレンジ2」『鉄道ファン』1987年3月号(NO.311)、100-103頁。
  9. ^ ただし、ドイツが電化を精力的に進めるのは1920年代以降である。
  10. ^ 鉄道界2012年12月号 P44-45
  11. ^ 赤星国夫「一般(東海道新幹線車両の構造と性能)」、『日本機械学會誌』第67巻第550号、日本機械学会、1964年11月、 pp.1724 - 1727、2010年6月27日閲覧。
  12. ^ 加藤一郎「東海道新幹線計画の概要」、『日本機械学會誌』第67巻第550号、日本機械学会、1964年11月、 pp.1710 - 1723、2010年6月27日閲覧。
  13. ^ 200系E2系E4系の一部編成とE7系・W7系の全編成
  14. ^ 北陸本線富山駅以東および鹿児島本線荒木駅以南の電化の際にも、直流での電化と既電化区間の直流転換が検討されたが、改修費用が過大であることと切替時の取扱いが煩雑さから、交流電化が継続されることとなった。
  15. ^ 「1960年代前半の国鉄車両計画/動力近代化計画」久保田博 (「鉄道ピクトリアル・臨時増刊号 車両研究 1960年代の鉄道車両」2003年12月増刊
  16. ^ 電気設備に関する技術基準を定める省令 第43条 直流の電線路、電車線路及び帰線は、地球磁気観測所又は地球電気観測所に対して観測上の障害を及ぼさないように施設しなければならない。
  17. ^ 動力の種類によって動力車操縦者の免許、整備資格、配置区(主に一般形と急行形の気動車は機関区に、電車は電車区に配置される)が異なる。動力方式の切り替えや新形車の導入のたび、合理化(職場や人員の整理)を推進したい本社や各鉄道管理局と、それによって雇用が脅かされるとする労働組合が対立し、折衝に多大な時間と労力を要するようになっていた。
  18. ^ 国鉄時代は函館本線小樽 - 小樽築港 - 札幌貨物ターミナル - 旭川の貨物列車にもED76形電気機関車が使われていた。
  19. ^ 2017年10月ダイヤ改正について
  20. ^ 東北本線の黒磯以北は交直流電車と気動車に…JR東日本、10月14日ダイヤ改正”. レスポンス (2017年7月7日). 2017年7月7日閲覧。
  21. ^ これは交流電化に限らず、直流電化であっても架線に近づくと感電する危険がある。
  22. ^ それまでも北陸本線各駅では同じ理由から新婚旅行に向かうカップルを祝福するためのクラッカーや紙テープの類の使用が禁止されていた。紙テープが風に流されて架線に近付くと非常に危険である。

関連項目[編集]