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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。 | + | '''交流電化'''（こうりゅうでんか） |
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| − | == 概要 ==
| + | 蒸気機関、ディーゼル機関、直流式電気鉄道などを交流式電気鉄道に改めること。 |
| − | [[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[[商用電源周波数|商用周波数]]（50 - 60 [[ヘルツ|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 k[[ボルト (単位)|V]]を使用する。
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| − | == 特徴 ==
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| − | [[直流電化]]と比較して、以下のような特徴がある。
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| − | ; 送電ロスが少なく地上設備のコストが低い
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| − | : 同一[[電力]]を[[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。同じ電力を送るのに架線で失われる[[ジュール熱|電力損失]]が少なくて済むことから、交流電化は直流電化に比べ[[変電所#鉄道変電所|変電所]]の間隔を長く取ることができ<ref>日本の電化線路の例で変電所の間隔は、1500 Vの[[直流饋電方式]]の5 - 10 k[[メートル|m]]に対して20000 Vの交流電化は[[BT饋電方式]]・[[AT饋電方式]]30 - 50 kmと、直流電化の数倍になる。</ref>、直流電化の場合には別途必要となる[[饋電線]]（架線に並行した太い電力線）、変電所への送電用の[[高圧 (電気)|特別高圧]]線そして、自動閉塞で用いる[[軌道回路#交流軌道回路|閉塞信号機で用いる高圧線]]も不要であり<ref>架線を流れる交流と同期した周波数の異なる交流を用いるため、位相合わせ用の高圧線は不要となる。</ref>、全体として地上設備コストの低減が図れる。交流は動力車において[[変圧器]]を用い容易に電圧を変えられるため、使用する[[電動機]]の電圧に合わせた600 - 3000 Vを用いる[[直流電化]]のような電圧の縛りから解放され、任意の高い電圧を選べる。しかし架線電圧が高くなると車両ならびに地上設備の離隔距離<ref>安全を確保するために確保すべき間隙のこと。</ref>を大きくとらなくてはならず、車両の設計が困難になるばかりか建設費など他のコストが上がってしまう。そのため動力車に供給すべき電力のほか、設備費用など制約条件を総合的に検討した上で11000 - 50000 Vの電圧が選択される。日本においては20000 V（在来線）と、25000 V（新幹線）の2種類の電圧が採用された。<!-- 電柱の高さが低くてシンプルという利点は[[BT饋電方式]]のみであり、[[AT饋電方式]]ではAT饋電線が逆位相の特別高圧かつ、事故時には送電電圧の倍の電圧が掛かることから電柱の高さが高くなる。 -->
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| − | ; 大容量送電が可能
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| − | : 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、[[架空電車線方式|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<ref>鉄道車両1編成を走行させる際に必要な電流([[アンペア|A]])は「出力([[ワット|W]])÷電圧(V)」で算出できる。例として、16両編成の[[新幹線N700系電車|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。</ref>。
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| − | ; 電動機起動制御のロスが少ない
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| − | : [[電気車の速度制御#抵抗制御|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[[電気車の速度制御#タップ制御|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。
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| − | ; 粘着係数が高い
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| − | : 交流車は[[粘着式鉄道|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]]）中に限流値により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、タップまたはサイリスタにより連続的に電圧を変えられる交流車は優位であり<ref>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。</ref>、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<ref>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。</ref>。
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| − | : ただし、後に直流車・交流車の区別なく[[可変電圧可変周波数制御|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。
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| − | ; 車両コストが高い
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| − | : [[特別高圧]]を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、直流を電源として用いる直流電動機の場合には、[[整流器]]または[[サイリスタ]]が必要であり、交流を電源として用いる誘導電動機の場合には、PWN[[コンバータ]]で直流に変換した後に[[VVVFインバータ]]で三相交流に変換する[[主変換装置]]が必要である。両者とも、重量のある商用電源対応の平滑リアクトル<ref>PWN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。</ref>が必要であり、[[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。
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| − | : [[直巻整流子電動機|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<ref>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）。</ref>。
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| − | 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、[[交直流電車|交流直流両用車]]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流直流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。
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| − | 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。
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| − | == 交流饋電系統の構成 ==
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| − | [[File:AC kiden system.png|thumb|400px|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。]]
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| − | 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<ref>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。</ref>、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、レールから負饋電線又は架線・AT饋電線<ref>[[AT饋電方式]]で採用される饋電線で、一定区間ごとに設置される[[単巻変圧器]]に対し給電する饋電線。架線とは逆位相であるため線間電圧は対地電圧の2倍になる。</ref>を介して変電所の三相二相変換変圧器に戻る。
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| − | 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、送電容量の大きくできる[[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の超高圧を受電して饋電することが可能になった。
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| − | ところが超高圧変圧器の1次側は送電線の地絡事故時の要請からその中性点を[[中性点接地方式#直接接地|直接接地]]にすることが要求される。そのため1次側の中性点を直接接地することが可能な'''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かつ、変圧器の饋電側にある2次側の結線が電気的に接続点を持たず、変圧器の巻線構成を簡単にした'''ルーフ・デルタ結線変圧器'''が[[東北新幹線]]新七戸変電所で採用され[[2002年]]に運用を開始した<ref>{{Cite journal|和書|format=pdf|url=http://bunken.rtri.or.jp/PDF/cdroms1/0004/2013/0004005964.pdf|title=ルーフ・デルタ結線変圧器|journal=RRR|work=フィールドレポート32 新技術の適用事例|page=32|year=2013|month=12|volume=70 |publisher=[[鉄道総合技術研究所]]|accessdate=2017-11-7}}</ref>。なお変圧器の容量は、在来線が6 - 60 M[[電力#皮相電力（apparent power）|VA]]程度、新幹線が30 - 200 MVA程度としている。
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| − | 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[[開閉器|開閉装置]]を設けた饋電区分所を設置し、変電所と饋電区分所には、エアセクションまたは電車線にFRP製の絶縁体と吊架線に数個の250mmの懸垂碍子で構成でされた異相セクションと呼ばれるされた[[デッドセクション]]を設置して、変電所から饋電区分所までの単独饋電としており、この区間おいては、電気車はノッチオフで通過している。さらに新幹線では、変電所から饋電区分所の間に補助饋電区分所を設置しており、変電所と饋電区分所には、2つのエアセクションと真空切替器で構成した約1000mの中間セクションを設置した異相区分用切替セクションが設置して、[[軌道回路]]による列車検知により自動で進行方向の電源に切替わることで、電気車はノッチを入れたまま通過することができるようになっており、切替による停電時間は0.3秒としている。
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| − | 交流饋電系統では、電車線を流れる交流電流の不平衡による[[電磁誘導]]や帰線電流の一部が[[軌条|レール]]から[[大地]]に漏れる{{Refnest|大地は直流に対しては土壌中のイオンにより大地と接する金属と反応を起こすことで金属表面の性状が変化し抵抗値が増大する（成極作用）。しかし交流に対しては正負が激しく入れ替わるためイオンと金属との反応が起きにくくなる。したがって交流に対して大地はかなり良い導電体となることから行きは架線、帰りは大地となるケースも生じやすくなる。この電流が電車線と変電所、走行車両とで一巻きコイルを作ることになり通信線等に誘導電圧を生じさせる<ref>[https://www.jeea.or.jp/course/contents/04101/] 参照</ref>。}}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AT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。
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| − | 変電所と饋電回路には過電流や地絡電流などによる故障電流や内部故障などから機器・電源系統を保護するため、さまざまな保護[[継電器]]が取付けられている。変電所内では受電側に過電流継電器・接地継電器・不足電圧継電器を、変圧器内の内部故障の検出に、変圧器の温度・油量・圧力・油流および過電流継電器をそれぞれ設置し、受電用遮断器を作動させて、機器等の故障による事故の波及を防ぐ。特徴的な保護継電器装置として、容量が10 MVAの変圧器の場合、変圧器の1次側電流と2次側電流を比較する比率差動継電器が設けられる。またAT饋電用変電所での饋電母線の地絡検出において、[[計器用変圧器]] (VT) に中性点接地形VT（EVT）を使用しており、VTの2次側の電圧上昇を検知することで地絡を検出する。電車線側の饋電回路には、特別高圧を使用しているため、車両故障・架線故障・飛来物・鳥害・碍子閃絡・樹木接触などでの故障では故障電流が大きいため、早期に故障を検知して電流を遮断する必要がある。通常の動力車の走行では反応せず、故障電流だけを的確に検出するため、変電所では、変電所から故障点までの距離により保護特性が定まる距離継電器、饋電電流の変化が一定値以上の場合に動作する交流ΔI形故障選択継電器、不足電圧を検知する不足電圧継電器、過電流を検知する過電流継電器により動作原理の異なる保護継電器を組み合わせて検知を行い饋電用遮断器を作動させて保護する。保護継電器の架線での保護範囲は、変電所から饋電区分所としており、距離継電器と交流ΔI形故障選択継電器による２つの保護継電器で行われる。また、アークによる閃絡故障では、アークが消滅すると閃絡故障が回復することが多いため、回復後に饋電用遮断器を開放から0.5秒後に自動で再投入させている。
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| − | [[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 [[パーセント|%]]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 (変圧器)|タップ]]を[[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。
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| − | 電圧不均衡や電圧変動に対しては、できるだけ小さいことが望ましく、大きい電源容量から受電したり、三相二相変換変圧器を用いることで、それを小さくしているが、電源容量が負荷に対して相対的に小さい変電所では、パワーエレクトロニクス技術を使用した、静止型無効電力補償装置(SVC)や電力融通方式電圧変動補償装置(RPC)使用しており、SVCには、電車線と饋電線又は負饋電線との間と変圧器の饋電側に接続して負荷の[[無効電力]]を補償することで、電圧変動を半減できる他励式SVCとSVCの出力電圧の[[位相]]を系統電圧に変圧器を介して同期させた状態で、SVCの出力電圧と系統電圧を制御することで負荷の[[有効電力]]の制御を行い電圧変動対策を行う自励式SVCがある。
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| − | 交流電化電路において架空電車線や饋電線の、碍子を介した地絡の場合は異常電圧の発生もあり好ましくない。それを防ぐためすべての碍子の大地に近いところにレールと同電位の「保護線」を接触させておき、碍子の閃絡事故を短絡事故に転換させ変電所の饋電用遮断器を開放する。保護線はBT饋電方式の場合、負饋電線が、AT饋電方式の場合はレールと同電位の保護線がその働きを担う。
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| − | 饋電回路故障時の保護継電器の動作後には、故障点標点装置（ロケータ）を起動させて故障点を特定することで、故障の早期復旧を図っており、BT饋電方式では故障点までの線路リアクタンスが距離に対して直線状に比例するため、変電所から故障点までの線路リアクタンスを演算して、既知の線路リアクタンスと比較することで、故障点を特定する、リアクタンス検出方式故障点標点装置が、AT饋電方式では、故障点から両側のATの単巻変圧器の中性点のレールから吸い上がる吸上電流の値が故障点までの距離に対して反比例するため、両側のATの単巻変圧器の吸上電流の値を利用して、距離に対して直線的に比例する吸上電流比を算出して故障点を特定するAT吸上電流比方式故障点標点装置がそれぞれ採用されている。
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| − | {{-}}
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| − | == 沿革 ==
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| − | === 初期の交流電化 ===
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| − | {{右|
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| − | [[ファイル:Siemens Drehstromtriebwagen01.jpg|thumb|200px|none|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。]]
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| − | [[ファイル:Museo del Ferrocarril (Madrid) 089.jpg|thumb|200px|none|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。]]
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| − | [[ファイル:Jungfraubahn close-up both pantographs.jpg|thumb|200px|none|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]]
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| − | }}
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| − | [[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]]の[[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）、[[ツェントラル鉄道#沿革（旧ルツェルン-シュタンス-エンゲルベルク鉄道）|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, <math>16\frac{2}{3}</math> Hz）で採用されている。また、[[ドイツ]]では[[1892年]]より[[シーメンス|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）。
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| − | 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, <math>16\frac{2}{3}</math> Hz、[[1912年]] - [[1976年]]）<ref name=rf311>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。</ref> 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]]<ref name=rf311 />（3000 V, 15 Hz、[[1930年]]に単相15000 V, <math>16\frac{2}{3}</math> Hzに変更）や[[1911年]]に電化された[[レンフェ|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）<ref name=rf311 /> 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。
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| − | 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 (= <math>\frac{50}{2}</math>) もしくは<math>16\frac{2}{3}</math> (= <math>\frac{50}{3}</math>) Hzなど周波数の低い交流電気を使用する。欧州では[[1904年]]に[[シーメンス|ジーメンス]]の手によりドイツ・[[バイエルン州|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, <math>16\frac{2}{3}</math> Hzを経て、15000 V, <math>16\frac{2}{3}</math> Hzに落ち着く。この規格は[[1912年]]に[[ドイツ帝国]]の[[プロイセン王国|プロイセン]]、[[バイエルン王国|バイエルン]]、[[バーデン (領邦)|バーデン]]で幹線鉄道の標準電化仕様として採用され<ref>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。</ref>、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]]に[[ウェスティングハウス]]の手により[[インディアナポリス]]の[[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[[ニューヨーク・ニューヘイブン・アンド・ハートフォード鉄道|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。
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| − | 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。
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| − | {{ - }}
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| − | === 商用周波数方式の実用化 ===
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| − | {{出典の明記|date=2014年11月|section=1}}
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| − | [[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<!-- [[誘導電動機]]を用いる場合、商用周波数での起動トルクが低い -->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。
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| − | 本格的なものは、[[1920年代]]のハンガリーにはじまる。同国の[[カンドー・カールマーン|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、[[かご形三相誘導電動機|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。
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| − | 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
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| − | * 回転周波数変換・二次抵抗制御により三相交流誘導電動機を使う方式（[[:de:DRG-Baureihe E 44|E244 31号機]]）
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| − | * 変圧器タップ制御により交流整流子電動機を使う方式（E244 21）
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| − | * 単極[[水銀整流器]]・変圧器タップ制御により直流直巻電動機を使う方式（E244 11）
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| − | * 多極水銀整流器・格子制御・直並列制御により直流直巻電動機を使う方式（E244 01）
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| − | の4種類が試された。
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| − | 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]]頃からヘレンタール線での資材を転用して自国領内のサボア線を20000V・50Hzで電化して、変圧器タップ制御により交流整流子電動機を使う方式と高圧タップ切替・水銀整流器を用いて直流直巻電動機を使う方式の2種類の機関車を試作して試用した結果、優れた性能が確かめられ、その試験結果が1951年10月にアヌシィで｢アヌシィ･レポート｣として公表された。サボア線での成功の後にフランスの鉱山重工業地帯にある北部幹線のヴァランジエンヌとティオンブルの間を20000V・50Hzで電化し、試験を続行。[[1954年]]にはサボア線で試作した2種類に別の方式の2種類を加えて4種類の機関車を計105両を製造して交流電化に適した方式を見定めようと本格的な営業運転を開始した。これは
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| − | * 高圧タップ制御により水銀整流器を用いて直流直巻電動機を使う方式（BB12000形）
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| − | * 変圧器タップ制御により交流整流子電動機を使う方式（BB13000形）
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| − | * 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）
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| − | * 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）
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| − | 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。
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| − | 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。
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| − | 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。
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| − | == 世界の事例 ==
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| − | 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。
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| − | {| class=wikitable border=1 cellspacing=0 cellpadding=1
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| − | !style=width:auto|国および地域名
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| − | !style=width:auto|周波数
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| − | !style=width:auto|電圧
| |
| − | !style=width:auto|事業者
| |
| − | !style=width:auto|備考
| |
| − | |-
| |
| − | |{{Flagicon|China}}[[中華人民共和国]]
| |
| − | |50 Hz
| |
| − | |25000 V
| |
| − | |
| |
| − | |
| |
| − | |-
| |
| − | |{{Flagicon|India}}[[インド]]
| |
| − | |50 Hz
| |
| − | |25000 V
| |
| − | |
| |
| − | |
| |
| − | |-
| |
| − | |{{Flagicon|Iran}}[[イラン]]
| |
| − | |50 Hz
| |
| − | |25000 V
| |
| − | |
| |
| − | |
| |
| − | |-
| |
| − | |rowspan=4|{{Flagicon|Japan}}[[日本]]
| |
| − | |50 Hz
| |
| − | |20000 V
| |
| − | |[[北海道旅客鉄道|JR北海道]]、[[東日本旅客鉄道|JR東日本]]ほか
| |
| − | |（後述）
| |
| − | |-
| |
| − | |50 Hz
| |
| − | |25000 V
| |
| − | |JR北海道、JR東日本
| |
| − | |[[東北新幹線|東北]]、[[北海道新幹線|北海道]]、[[上越新幹線|上越]]、[[北陸新幹線]]（一部）
| |
| − | |-
| |
| − | |60 Hz
| |
| − | |20000 V
| |
| − | |[[西日本旅客鉄道|JR西日本]]、[[九州旅客鉄道|JR九州]]ほか
| |
| − | |（後述）
| |
| − | |-
| |
| − | |60 Hz
| |
| − | |25000 V
| |
| − | |JR東日本、[[東海旅客鉄道|JR東海]]、JR西日本、JR九州
| |
| − | |[[東海道新幹線|東海道]]、[[山陽新幹線|山陽]]、[[九州新幹線|九州]]、北陸新幹線（一部）
| |
| − | |-
| |
| − | |{{Flagicon|South Korea}}[[大韓民国]]
| |
| − | |60 Hz
| |
| − | |25000 V
| |
| − | |[[韓国鉄道公社]]
| |
| − | |
| |
| − | |-
| |
| − | |{{Flagicon|Malaysia}}[[マレーシア]]
| |
| − | |50 Hz
| |
| − | |25000 V
| |
| − | |
| |
| − | |クアラルンプール近郊
| |
| − | |-
| |
| − | |{{Flagicon|Republic of China}}[[台湾]]（中華民国）
| |
| − | |60 Hz
| |
| − | |25000 V
| |
| − | |[[台湾鉄路管理局]]、[[台湾高速鉄道]]
| |
| − | |
| |
| − | |-
| |
| − | |{{Flagicon|Thailand}}[[タイ王国]]
| |
| − | |50 Hz
| |
| − | |25000 V
| |
| − | |[[エアポート・レール・リンク]]
| |
| − | |
| |
| − | |-
| |
| − | |{{Flagicon|Turkey}}[[トルコ共和国]]
| |
| − | |50 Hz
| |
| − | |25000 V
| |
| − | |
| |
| − | |
| |
| − | |-
| |
| − | |{{Flagicon|Democratic Republic of the Congo}}[[コンゴ民主共和国]]
| |
| − | |50 Hz
| |
| − | |25000 V
| |
| − | |
| |
| − | |
| |
| − | |-
| |
| − | |rowspan=2|{{Flagicon|South Africa}}[[南アフリカ共和国]]
| |
| − | |50 Hz
| |
| − | |25000 V
| |
| − | |rowspan=2|[[南アフリカの鉄道|TRANSNET]]
| |
| − | |
| |
| − | |-
| |
| − | |50 Hz
| |
| − | |50000 V
| |
| − | |[[:en:Sishen–Saldanha railway line|シシェン - サルダナ（鉄鉱石輸送路線）]]
| |
| − | |-
| |
| − | |{{Flagicon|Zimbabwe}}[[ジンバブエ]]
| |
| − | |50 Hz
| |
| − | |25000 V
| |
| − | |
| |
| − | |
| |
| − | |-
| |
| − | |rowspan=2|{{Flagicon|Austria}}[[オーストリア]]
| |
| − | |16.7 Hz
| |
| − | |15000 V
| |
| − | |rowspan=2|[[オーストリア連邦鉄道]]
| |
| − | |
| |
| − | |-
| |
| − | |25 Hz
| |
| − | |6500 V
| |
| − | |マリアツェル線
| |
| − | |-
| |
| − | |{{Flagicon|Bosnia and Herzegovina}}[[ボスニア・ヘルツェゴビナ]]
| |
| − | |50 Hz
| |
| − | |25000 V
| |
| − | |
| |
| − | |
| |
| − | |-
| |
| − | |{{Flagicon|Bulgaria}}[[ブルガリア]]
| |
| − | |50 Hz
| |
| − | |25000 V
| |
| − | |ブルガリア国鉄
| |
| − | |
| |
| − | |-
| |
| − | |{{Flagicon|Croatia}}[[クロアチア]]
| |
| − | |50 Hz
| |
| − | |25000 V
| |
| − | |
| |
| − | |
| |
| − | |-
| |
| − | |{{Flagicon|Czech Republic}}[[チェコ]]
| |
| − | |50 Hz
| |
| − | |25000 V
| |
| − | |[[鉄道施設管理公団 (チェコ)|鉄道施設管理公団]]（SŽDC）
| |
| − | |南部国鉄路線
| |
| − | |-
| |
| − | |{{Flagicon|Denmark}}[[デンマーク]]
| |
| − | |50 Hz
| |
| − | |25000 V
| |
| − | |デンマーク国鉄
| |
| − | |
| |
| − | |-
| |
| − | |{{Flagicon|Germany}}[[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
| |
| − | |-
| |
| − | |{{Flagicon|Finland}}[[フィンランド]]
| |
| − | |50 Hz
| |
| − | |25000 V
| |
| − | |
| |
| − | |
| |
| − | |-
| |
| − | |{{Flagicon|France}}[[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
| |
| − | |-
| |
| − | |{{Flagicon|United Kingdom}}[[イギリス]]
| |
| − | |50 Hz
| |
| − | |25000 V
| |
| − | |
| |
| − | |マージーサイドなど
| |
| − | |-
| |
| − | |{{Flagicon|Greece}}[[ギリシャ]]
| |
| − | |50 Hz
| |
| − | |25000 V
| |
| − | |
| |
| − | |
| |
| − | |-
| |
| − | |{{Flagicon|Hungary}}[[ハンガリー]]
| |
| − | |50 Hz
| |
| − | |25000 V
| |
| − | |
| |
| − | |
| |
| − | |-
| |
| − | |{{Flagicon|Italy}}[[イタリア]]
| |
| − | |50 Hz
| |
| − | |25000 V
| |
| − | |
| |
| − | |高速新線の一部
| |
| − | |-
| |
| − | |{{Flagicon|Macedonia}}[[マケドニア共和国]]
| |
| − | |50 Hz
| |
| − | |25000 V
| |
| − | |
| |
| − | |
| |
| − | |-
| |
| − | |{{Flagicon|Montenegro}}[[モンテネグロ]]
| |
| − | |50 Hz
| |
| − | |25000 V
| |
| − | |
| |
| − | |
| |
| − | |-
| |
| − | |{{Flagicon|Norway}}[[ノルウェー]]
| |
| − | |16 2/3 Hz
| |
| − | |15000 V
| |
| − | |ノルウェー国鉄
| |
| − | |
| |
| − | |-
| |
| − | |{{Flagicon|Portugal}}[[ポルトガル]]
| |
| − | |50 Hz
| |
| − | |25000 V
| |
| − | |
| |
| − | |
| |
| − | |-
| |
| − | |{{Flagicon|Romania}}[[ルーマニア]]
| |
| − | |50 Hz
| |
| − | |25000 V
| |
| − | |
| |
| − | |
| |
| − | |-
| |
| − | |{{Flagicon|Serbia}}[[セルビア]]
| |
| − | |50 Hz
| |
| − | |25000 V
| |
| − | |[[セルビア鉄道]]
| |
| − | |
| |
| − | |-
| |
| − | |{{Flagicon|Slovakia}}[[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）
| |
| − | |-
| |
| − | |{{Flagicon|Spain}}[[スペイン]]
| |
| − | |50 Hz
| |
| − | |25000 V
| |
| − | |
| |
| − | |高速鉄道(AVE)用の新線
| |
| − | |-
| |
| − | |{{Flagicon|Sweden}}[[スウェーデン]]
| |
| − | |16 2/3 Hz
| |
| − | |15000 V
| |
| − | |スウェーデン国鉄
| |
| − | |
| |
| − | |-
| |
| − | |rowspan=3|{{Flagicon|Switzerland}}[[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]]
| |
| − | |
| |
| − | |-
| |
| − | |{{Flagicon|CIS}}[[独立国家共同体|CIS]]諸国
| |
| − | |50 Hz
| |
| − | |25000 V
| |
| − | |
| |
| − | |
| |
| − | |-
| |
| − | |rowspan=4|{{Flagicon|United States}}[[アメリカ合衆国]]
| |
| − | |25 Hz
| |
| − | |11000 V
| |
| − | |[[アムトラック]]※、[[南東ペンシルベニア交通局|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 (コネチカット州)|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
| |
| − | |-
| |
| − | |{{Flagicon|Canada}}[[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）
| |
| − | |-
| |
| − | |{{Flagicon|Australia}}[[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
| |
| − | |-
| |
| − | |{{Flagicon|New Zealand}}[[ニュージーランド]]
| |
| − | |50 Hz
| |
| − | |25000 V
| |
| − | |
| |
| − | |北島
| |
| − | |}
| |
| − | | |
| − | === 日本 ===
| |
| − | {{seealso|日本の電化路線の一覧}}
| |
| − | [[日本]]の普通鉄道では[[新幹線]]、[[四国旅客鉄道|JR四国]]を除く[[JR線]]（[[北海道]]、[[東北地方|東北]]、[[九州地方|九州]]の電化区間の大半と[[常磐線]]・[[藤代駅|藤代]] - [[岩沼駅|岩沼]]、[[水戸線]]、[[北陸本線]]・[[敦賀駅|敦賀]] - [[金沢駅|金沢]]、[[羽越本線]]・[[間島駅|間島]] - [[羽後牛島駅|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]][[首都圏新都市鉄道つくばエクスプレス|つくばエクスプレス線]]の [[守谷駅|守谷]] - [[つくば駅|つくば]]、[[阿武隈急行線]]、[[仙台空港鉄道]][[仙台空港鉄道仙台空港線|仙台空港線]]で採用されている。このうち、新幹線、[[海峡線]]の[[北海道新幹線]]との共用区間（新中小国信号場 - [[木古内駅|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（[[ゆりかもめ東京臨海新交通臨海線|ゆりかもめ]]・[[日暮里・舎人ライナー]]・[[埼玉新都市交通伊奈線]]・[[大阪市交通局南港ポートタウン線|ニュートラム]]・[[神戸新交通ポートアイランド線|ポートライナー]]・[[神戸新交通六甲アイランド線|六甲ライナー]]）である。
| |
| − | | |
| − | ==== 沿革 ====
| |
| − | 日本では、フランスの｢アヌシィ･レポート｣に強い関心を持ち、当時の国鉄の長崎惣之助総裁がフランス国鉄のアルマン総裁を訪れて交流電化を視察しており、帰国後に小倉俊夫副総裁を委員長とする交流電化調査委員会が設立され、交流電化についての調査研究が[[1953年]]頃から開始された。調査研究の結果、[[戦後]]の全国的に電化を進める際に、地上設備の費用を抑えられる商用周波数による交流電化が有利との見通しが得られた。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[[電機メーカー|重電メーカ]]が[[日本国政府|政府]]に国産化を働きかけ、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。
| |
| − | | |
| − | その後、適当な線区で試験が行われることになり、列車本数が少なく、一部に直流電化区間（作並-山寺）との接続試験ができることから、[[1955年]]（昭和30年）に[[仙山線]]の北仙台-作並間を試験線区として交流電化され（20 KV/50 Hz）、[[1957年]]（昭和32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[[高圧 (電気)|特別高圧]][[電線路|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。
| |
| − | | |
| − | [[阿武隈急行]]は元の国鉄[[阿武隈急行線|丸森線]]だが、経営分離後の1988年（昭和63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。
| |
| − | | |
| − | 現在でも新幹線の[[在来線#並行在来線問題|並行在来線]]として国鉄または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（[[2005年]]〈平成17年〉開業）と、[[仙台空港鉄道]]（2007年〈平成19年〉開業）で実施されているのみである。前者は通常であれば直流電化が適当と考えられる性格と距離であるが、常磐線と同じく、[[茨城県]][[石岡市]]にある[[気象庁地磁気観測所#地磁気観測に影響を与える問題|気象庁地磁気観測所への影響]]を考慮したものである。
| |
| − | | |
| − | ==== 車両 ====
| |
| − | 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、変圧器の2次側のタップ切り替えによる低圧タップ制御により得た降圧した交流を用いて[[交流整流子電動機]]を駆動させる直接式、または高圧側に前置した単巻変圧器のタップで切り替えを行なってから降圧変圧器で降圧する高圧タップ制御または変圧器の2次側のタップ切り替えにより降圧する低圧タップ制御により降圧した交流を水銀整流器で直流に変換して直流直巻電動機を駆動させる間接式を試作した。
| |
| − | | |
| − | [[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[[国鉄ED45形電気機関車|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[[国鉄EF70形電気機関車|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（[[国鉄ED70形電気機関車|ED70形]]・[[国鉄ED71形電気機関車|ED71形]]電気機関車）が開発され使用された。
| |
| − | しかし、[[日本国有鉄道|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（[[国鉄EF80形電気機関車|EF80形]]電気機関車・[[国鉄415系電車|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。[[JR東日本651系電車|651系]]（[[ひたち_(列車)|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[[変圧器|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[[重し#死重|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（[[国鉄EF81形電気機関車|EF81形]]電気機関車・[[国鉄485系電車|485系電車]]・[[国鉄583系電車|583系電車]]・[[国鉄415系電車|415系電車]]・[[国鉄457系電車|457系電車]]など）。
| |
| − | | |
| − | ==== 交流・直流 直通用の地上設備 ====
| |
| − | ===== 地上切換方式 =====
| |
| − | 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]]（[[福島駅 (福島県)|福島]] - [[庭坂駅|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、黒磯駅のみ残っていたが、[[2018年]]1月1日～3日に黒磯 - [[高久駅|高久]]間にデッドセクションを設置し、車上切換方式へと切り替えられた<ref name=":0">{{Cite web|url=http://www.jreast.co.jp/press/2017/omiya/20171124_o01.pdf|title=東北本線黒磯駅電気設備改良切換工事に伴う列車運休及びバス代行輸送計画についてのお知らせ|accessdate=2018-01-13|date=2017-11-24|format=PDF|publisher=東日本旅客鉄道|archiveurl=https://web.archive.org/web/20180103054517/http://www.jreast.co.jp/press/2017/omiya/20171124_o01.pdf|archivedate=2018-01-03}}</ref>。
| |
| − | | |
| − | ===== 車上切換方式 =====
| |
| − | 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[[取手駅|取手]] - [[勝田駅|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 ====
| |
| − | ===== 新幹線と商用周波数 =====
| |
| − | [[東海道新幹線]]と[[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、[[博多駅|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 (鉄道)|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
| |
| − | <ref>
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| − | {{Cite journal
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| − | | 和書
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| − | | author=赤星国夫
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| − | | year=1964
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| − | | month=11
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| − | | title=一般（東海道新幹線車両の構造と性能）
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| − | | journal=日本機械学會誌
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| − | | volume=67
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| − | | issue=550
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| − | | pages=pp.1724 - 1727
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| − | | publisher=[[日本機械学会]]
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| − | | url=http://ci.nii.ac.jp/naid/110002463449/
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| − | | accessdate=2010-06-27}}
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| − | </ref>
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| − | <ref>
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| − | {{Cite journal
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| − | | 和書
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| − | | author=加藤一郎
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| − | | year=1964
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| − | | month=11
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| − | | title=東海道新幹線計画の概要
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| − | | journal=日本機械学會誌
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| − | | volume=67
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| − | | issue=550
| |
| − | | pages=pp.1710 - 1723
| |
| − | | publisher=[[日本機械学会]]
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| − | | url=http://ci.nii.ac.jp/naid/110002463448
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| − | | accessdate=2010-06-27}}
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| − | </ref>。
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| − | 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。
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| − | | |
| − | 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]]<ref>[[新幹線200系電車|200系]]・[[新幹線E2系電車|E2系]]・[[新幹線E4系電車|E4系]]の一部編成と[[新幹線E7系・W7系電車|E7系・W7系]]の全編成</ref>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。
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| − | 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。
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| − | ===== 直流化 =====
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| − | 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[[富山ライトレール富山港線|富山港線]]（[[2006年]]に[[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）<ref>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。</ref>。そのため[[1991年]]には[[田村駅|田村]] - [[長浜駅|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 - [[敦賀駅|敦賀]]間と、これに接続する[[湖西線]][[近江塩津駅|近江塩津]] - [[永原駅|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。
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| − | 九州との関係が密な[[山口県]]西部でも同様な状況である。<!--交流電車が標準系列となった[[九州旅客鉄道]]（JR九州）との直通列車設定を容易にするために、[[山陽本線]]を交流電化にすべきという意見がある{{要出典|date=2007年6月}}。ちなみに、-->国鉄時代に[[山陽本線]]や[[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<ref>「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</ref>。電化後は交直両用電車が[[関門トンネル (山陽本線)|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]]は[[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 - [[門司駅|門司]]間の交流化の可能性が考えられる<!-- {{要出典範囲|date=2015年9月|直流電化に比べはるかに架線電圧の高い交流電化は[[絶縁破壊]]の問題があり、この区間の大半を占める関門トンネルにおいては海底トンネルの高さを拡張する大工事となり、下関駅を[[東北本線]][[黒磯駅]]のように地上切換設備を設置するか、交直セクションを本州の会社境界点に移設してセクション手前で分岐して駅構内まで交流電化の線路を建設し、駅内に交流電車（8XX系電車）が入線できるようにしなければならないため、実質的に不可能であると考えられる}}-->。
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| − | ===== 茨城県内の電化と地磁気観測所 =====
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| − | 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|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<ref>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。</ref>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。
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| − | 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。
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| − | また[[1980年代]]に通勤輸送需要が急増した[[関東鉄道]][[関東鉄道常総線|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]]と[[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）。
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| − | ===== 電車を使用しない例 =====
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| − | 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[[雇用|労使関係]]もその背景にあった<ref>動力の種類によって[[動力車操縦者]]の免許、[[整備士|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。</ref>。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、かつては湖西線近江今津駅～近江塩津駅・敦賀駅間直通運用および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。民営化の1987年4月1日時点でも、JR東日本東北地区の路線（仙台・福島エリアと常磐線を除く）を中心に、客車（電気機関車）と気動車を混用する運用が多かった。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]]・[[回送#送り込み列車|送り込み運用]]する程度の細々としたものになっている。
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| − | [[羽越本線]]では、[[村上駅 (新潟県)|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）[[東日本旅客鉄道新潟支社|新潟支社]]は[[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[[特別急行列車|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[[国鉄キハ40系気動車 (2代)|キハ40系]]系列や[[JR東日本キハE120形気動車|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。
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| − | 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、[[2012年]]（平成24年）10月には、[[室蘭本線]][[苫小牧駅|苫小牧]] - [[室蘭駅|室蘭]]間の普通列車が、[[すずらん (列車)|特急「すずらん」]]の間合い運用となる[[東室蘭駅|東室蘭]] - 室蘭間の普通列車を除き、全て[[ワンマン運転|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]]も[[ディーゼル機関車]]が牽引を行う<ref>国鉄時代は[[函館本線]][[小樽駅|小樽]] - [[小樽築港駅|小樽築港]] - [[札幌貨物ターミナル駅|札幌貨物ターミナル]] - [[旭川駅|旭川]]の貨物列車にもED76形電気機関車が使われていた。</ref>。2017年10月14日から、[[東北本線]][[黒磯駅|黒磯]] - [[新白河駅|新白河]]間で運行する列車は従来の交流電車から交直流電車の[[JR東日本E531系電車|E531系]]と[[JR東日本キハ100系気動車|キハ110系]]に切り替わっている<ref>[https://jr-sendai.com/upload-images/2017/07/20170707.pdf 2017年10月ダイヤ改正について]</ref><ref>{{cite web|url=https://response.jp/article/2017/07/07/297149.html|title=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|publisher=レスポンス|date=2017-07-07|accessdate=2017-07-07}}</ref>。この他[[日豊本線]]でも[[佐伯駅]] - [[延岡駅]]間を走る普通列車が2009年10月から[[JR九州キハ200系気動車#キハ220形|キハ220形気動車]]に置き換えられたが、2018年3月17日のダイヤ改正で全列車が特急形車両の[[JR九州787系電車|787系]]（特急「[[にちりん (列車)|にちりん]]」「[[ひゅうが (列車)|ひゅうが]]」の間合い運用）に置き換えられている。
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| − | | |
| − | [[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、[[日本の電気式気動車#電気式の将来（ハイブリッド気動車）|ハイブリッドシステム]]をもつ気動車の[[JR東日本HB-E210系気動車|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。
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| − | | |
| − | [[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[[鉄道事業者|第2種鉄道事業者]]として[[日本貨物鉄道|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[[直通運転|直通]]列車のみが電気運転をしている。
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| − | 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、1両編成での運転が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1両編成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。
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| − | === ドイツ、オーストリア、スイス ===
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| − | 20世紀初頭より低周波交流(15000 V, <math>16\frac{2}{3}</math> 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。
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| − | 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。
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| − | 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。
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| − | === フランス ===
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| − | 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。
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| − | === アメリカ ===
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| − | 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。
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| − | | |
| − | 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。
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| − | === 韓国 ===
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| − | [[1973年]]、[[ヨーロッパ]]（主に[[フランス]]）の技術協力により、[[ソウル特別市|ソウル]]と東海岸を結ぶ[[中央線 (韓国)|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]]と[[湖南線]]が[[韓国高速鉄道|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。
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| − | | |
| − | なお、広域電鉄のうち[[果川線]]と[[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。
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| − | === 台湾 ===
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| − | [[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]]の[[基隆市|基隆]] - [[台北駅|台北]] - [[高雄駅|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。
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| − | == その他 ==
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| − | 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<ref>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。</ref>、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<ref>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 (パーティーグッズ) |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。</ref>。
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| − | | |
| − | 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[[北近畿ビッグXネットワーク|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。
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| − | == 脚注 ==
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| − | {{脚注ヘルプ}}
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| − | {{Reflist}}
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| − | == 関連項目 ==
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| − | *[[交流型電車]]
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| − | *[[直流電化]]
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| − | *[[鉄道の電化]]方式
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| − | *[[BT饋電方式]]
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| − | *[[AT饋電方式]]
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| − | *[[気象庁地磁気観測所]]
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| − | *[[動力近代化計画]]
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| | + | {{テンプレート:20180815sk}} |
| | {{DEFAULTSORT:こうりゆうてんか}} | | {{DEFAULTSORT:こうりゆうてんか}} |
| | [[Category:鉄道の電化]] | | [[Category:鉄道の電化]] |
| | [[Category:電力流通]] | | [[Category:電力流通]] |