在来線 電力ラボ

在来線を動かす電気は、どこから来てどこへ帰るのか

電車は「架線から電気をもらって、それでおしまい」ではありません。電気は必ず出発点に戻ってくる、ひとつながりの回路（電気の通り道の輪）として成り立っています。まず発電所でつくられた電気は、送電線という太い電線で運ばれます。長距離を効率よく送るため、送電線の電圧はとても高く、6万6千ボルトから15万4千ボルト程度の「特別高圧」と呼ばれる区分が使われることが多くあります。この高い電圧の電気は、鉄道会社が持つ変電所に届き、電車が使える電圧まで下げられたり、直流に変換されたりします。

変電所で用意された電気は、き電線と呼ばれる専用の電線を通って、線路の上に張られた架線（トロリ線）に送られます。電車の屋根にあるパンタグラフが架線に接触し、そこから電気が車両に入ります。車両の中でモーターを回すのに使われた電気は、車輪からレールへと流れ出し、レールを伝って再び変電所へ戻っていきます。つまり、発電所から出発した電気は、送電線、変電所、き電線、架線、パンタグラフ、車両、車輪、レールという道筋をたどって、最後はまた変電所に帰ってくる一周の回路をつくっているのです。

「電気は架線から車両を通り抜けて、地面に消えていく」というイメージを持っている人がいますが、これは誤解です。電気はレールという決まった帰り道を通って必ず変電所まで戻ります。レールが地面（大地）に接していることから、ごくわずかな電流がレールから漏れて土の中を通り、離れた場所にある金属製の配管などに流れ込んでしまうことがあります。これを迷走電流といい、金属を徐々にさびさせてしまう電食という現象の原因になるため、鉄道事業者はレールと大地の間の絶縁や、漏れた電流を戻す対策を行っています。

直流1500Vと交流20000V ― 二つの電化方式

日本の在来線には、大きく分けて直流1500Vで電気を送る区間と、交流20000Vで電気を送る区間があります。交流の場合、電気を送る周波数は東日本で50Hz、西日本で60Hzとなっており、地域によって異なります。なお新幹線は交流25000Vを使っており、在来線の交流区間よりもさらに高い電圧です。また地下鉄や一部の私鉄では、直流600Vや750Vといったさらに低い電圧が使われることもあります。

この違いを生んでいるのは、変電所をどれくらいの間隔で置く必要があるかという問題です。直流1500Vの区間では、変電所はおおむね数キロメートルから10キロメートル程度の間隔で設けられることが多く、交流20000Vの区間では、数十キロメートル、20キロメートルから50キロメートル程度離れていても電気を送ることができます。これは、同じ電力を送る場合、電圧を高くするほど流れる電流を小さくできるためです。電流が小さければ、架線が持つわずかな電気抵抗による電圧降下（電圧が下がってしまうこと）や、熱として失われる電力（電流の2乗に比例して大きくなります）を小さく抑えられます。直流1500Vでは、加速する列車1本あたり数千アンペアという大きな電流が流れることもあり、電圧降下を抑えるために変電所を密に配置する必要があるのです。

一方で交流には別の負担もあります。電圧が高い交流をそのままモーターの制御に使うことはできないため、車両側に主変圧器という大きく重い機器を積んで電圧を下げる必要があり、車両が重く高価になりがちです。また高電圧を扱う分、感電や放電を防ぐために部品同士の絶縁距離を広く取らなければならず、トンネルの断面や碍子（電線を支える絶縁部品）が大きくなります。さらに交流は近くの通信線に電気的な影響（誘導障害）を与えやすいため、BTき電方式やATき電方式と呼ばれる対策用の設備も必要です。つまり交流は地上設備を少なく安くできる代わりに車両側の負担が大きく、直流は車両をシンプルにできる代わりに地上設備の負担が大きい、という関係にあります。

日本では、乗客が多く駅間の短い首都圏や関西といった都市部で直流電化が広がりました。駅間が短く加減速を頻繁に繰り返す区間では、比較的シンプルで応答性のよい直流の車両が向いていたためです。一方、東北や北海道、北陸、九州の一部など、駅間が長く輸送量に対して地上設備をできるだけ抑えたい地域では、変電所を減らせる交流電化が採用されてきました。こうした歴史的な経緯もあって、現在の日本の在来線は直流区間と交流区間が入り混じった姿になっています。

変電所の中では何をしているのか

直流変電所では、送電線から受け取った三相交流の電気を、まず変圧器で扱いやすい電圧まで下げます。そのあと整流器と呼ばれる装置で交流を直流に変換し、直流1500Vとしてき電線に送り出します。整流器には昔から半導体の一種であるシリコンダイオードが使われており、これは電気を一方向にしか流さない性質を持っています。そのため、電車がブレーキで発電した電気（回生電力といいます）を架線に返そうとしても、それを送電線側に戻すことが基本的にはできません。近くに電気を使ってくれる列車がいないと、架線の電圧がどんどん上がってしまい、回生ブレーキが使えなくなる回生失効という現象につながります。近年は、余った回生電力を一時的にためる装置や、電力を送電線側へ戻せる双方向型の変電所も増えてきています。

交流変電所では、受け取った三相交流の電気から単相20000Vを取り出してき電します。三相の電気から単相だけを大量に取り出すと、三つの相の間で使う量に偏りが生じ、電力会社の送電網に悪い影響を与えてしまいます。そこで、スコット結線変圧器などの特殊な変圧器を使い、三相の電気を二つの独立した単相の電気にバランスよく分けて、隣り合う区間に振り分けるといった工夫がされています。

変電所と変電所の境目や、電力の管理単位を分ける場所には、き電区分所と呼ばれる設備が置かれることがあります。また架線そのものにも継ぎ目があり、電気的に区切られた区間の境目はエアセクションと呼ばれます。エアセクションでは二つの区間の架線が電気的に絶縁された状態で並んでいるため、もし電車がここに停車してしまうと、パンタグラフを通じて二つの区間がつながり、大きな電流が流れてアーク(放電による火花)が発生し、架線やパンタグラフを傷めてしまいます。そのため、エアセクション内での停車は避けるべきものとされています。

架線とパンタグラフ ― 走りながら電気を受け取る

架線は、ただ1本のワイヤーが張られているだけではありません。多くの区間では、上部にちょう架線と呼ばれる支えの線を張り、そこからハンガーという金具でトロリ線(パンタグラフが実際に接触する線)を吊り下げる、シンプルカテナリ架線という構造が使われています。この構造により、支柱と支柱の間でトロリ線がたるんでしまうのを防ぎ、できるだけ水平に近い高さを保つようにしています。

トロリ線は、線路の真上をまっすぐ通っているわけではなく、左右にわずかにジグザグ(偏位といいます)して張られています。もしトロリ線がまったく動かずに一直線であれば、パンタグラフのすり板(集電のためにトロリ線と接触する部品)の同じ場所ばかりが削れてしまいますが、偏位をつけることで、すり板の広い範囲を均等に使うことができます。また、気温の変化によって架線の金属は伸びたり縮んだりしますが、これを放置すると張力(引っ張る力)が変わって架線がたるんだりピンと張りすぎたりします。そこで自動張力調整装置(テンションバランサ)という重りやばねの仕組みを使い、季節や気温が変わっても架線の張力をほぼ一定に保っています。

パンタグラフは、ばねや空気の力で上向きに押し上げられ、先端のすり板をトロリ線に軽く押し当てながら走ります。すり板には摩耗しにくく電気を通しやすいカーボン(炭素)素材が使われることが多くあります。高速で走行すると、架線のわずかな振動やたわみによって、パンタグラフが一瞬トロリ線から離れてしまう離線という現象が起こり、そのときに小さなアークが発生します。かつては複数の棒を組み合わせた菱形のパンタグラフが主流でしたが、現在は空気抵抗が少なく軽量なシングルアーム型が広く使われるようになっています。集電する電流の大きさは走行状況によって変わりますが、直流1500Vの区間では、長い編成の通勤電車が全力で加速するときに1000アンペアを大きく超え、数千アンペアに達することもあります。

車両の中で電気が姿を変える ― パンタグラフから主電動機まで

パンタグラフから取り込まれた電気は、そのままモーターに送られるわけではなく、車両の中でいくつもの装置を経て姿を変えていきます。直流車両のおおまかな流れは、パンタグラフから避雷器(雷などの過大な電圧から機器を守る装置)と断流器(回路を開閉する装置)を経て、フィルタリアクトルやフィルタコンデンサ(電気の乱れをならす部品)を通り、VVVFインバータで交流に変換されたのち、三相かご形誘導電動機と呼ばれるモーターに送られる、という順番です。

交流車両では、これに主変圧器が加わります。パンタグラフから取り込んだ交流20000Vは、主遮断器を経て主変圧器で1000ボルト級程度まで下げられます。その後、PWMコンバータという装置で交流を直流に変換し、直流の回路をいったん経由してから、直流車両と同じようにVVVFインバータで交流に変換し、三相かご形誘導電動機を回します。

VVVFとは可変電圧可変周波数の略で、モーターに送る交流の電圧と周波数の両方を自在に変えられる制御方式です。誘導電動機の回転数は、与えられる交流の周波数によってほぼ決まるため、周波数を少しずつ高くしていけば、それに合わせてモーターの回転数も上がり、電車は加速していきます。このとき周波数だけを上げて電圧を一定のままにすると、モーターの中の磁束(磁気の強さ)が乱れて効率が落ちてしまうため、周波数の上昇にほぼ比例させて電圧も上げていく制御が行われています。

かつての電車の多くは、ブラシと整流子という部品を使う直流モーターを使っており、これらは使ううちにすり減るため定期的な交換や点検が欠かせませんでした。また速度を調整する抵抗制御という方式では、余分な電気をわざと電気抵抗器で熱に変えて捨てることでモーターの回転数を調整していました。これに対して現在主流の三相かご形誘導電動機は、ブラシや整流子を持たないため保守の手間が少なく、小型軽量で丈夫という利点があり、VVVFインバータ制御では電気を無駄に熱として捨てることなく、必要な分だけを使って加速や減速を行えるようになっています。なお、車内の照明や空調、ドアの開閉などに使う三相440V程度や100V程度の電気は、主回路とは別に補助電源装置(SIV)という装置でつくられています。

回る力が走る力になるまで ― 歯車・車輪・粘着

主電動機が生み出す回転は、そのままでは回転数が高すぎて車輪を回すのに適していません。そこで歯車装置を使い、モーターの回転をおおむね1対6から1対7程度の比率で減速し、その代わりに車軸を回す力(トルク)を大きくしてから車輪に伝えています。

車輪とレールは金属同士がわずかな面積で接しているだけで、この間の摩擦によってしか力は伝わりません。この摩擦のことを鉄道の世界では粘着と呼びます。粘着には限界があり、モーターが出す力が粘着の限界を超えると、車輪だけが空回りしてしまう空転が起こります。雨が降っているときや、線路上に落ち葉が積もっているときは、レールの表面が滑りやすくなるため粘着力が下がり、空転や、ブレーキ時に車輪が回転を止めたまま滑ってしまう滑走が起きやすくなります。現在の車両はセンサーで空転や滑走を検知し、モーターの出力やブレーキ力を自動的に調整して粘着を回復させる再粘着制御を備えています。

編成を組む車両には、モーターを持つ動力車(M車)と、モーターを持たない付随車(T車)があり、その組み合わせの割合をMT比と呼びます。MT比が高い編成ほど加速力に余裕がありますが、モーターや制御装置が増える分、コストや重量も増える傾向があります。

電車が走るときには、常にいくつかの抵抗が働いています。速度が低いうちはあまり目立ちませんが、速度が上がるにつれて空気抵抗が急激に大きくなり、走行抵抗全体を押し上げます。また坂道を上るときには勾配抵抗が加わります。勾配のきつさはパーミル(‰)という単位で表され、これは1000メートル進む間に何メートル高さが変わるかを示しています。たとえば25‰という勾配は、1000メートル進む間に25メートル登る坂で、山越えの区間などで使われる、鉄道としてはかなり急な部類の勾配です。

ブレーキで電気を返す ― 回生ブレーキと回生失効

電車が減速するとき、主電動機はモーターとしてではなく発電機として使われることがあります。走っている車両の運動エネルギーを使ってモーターを発電機として回すことで、電気エネルギーを生み出し、これを架線へ送り返します。これが回生ブレーキと呼ばれる仕組みです。

回生ブレーキで生まれた電気は、電力会社に売るわけではなく、同じき電区間内で、ちょうど加速中の別の列車がいれば、その列車がそのまま使うことができます。しかし、近くに電気を必要としている列車がいない場合、送り出された電気の行き場がなくなり、架線の電圧がどんどん上昇してしまいます。電圧が一定以上に上がると、それ以上回生ブレーキを続けることができなくなり、これを回生失効と呼びます。回生失効が起きると、不足した分のブレーキ力を空気ブレーキが補う、ブレーキの絞り込みや遅れ込め制御と呼ばれる仕組みが働き、乗客が感じる減速の強さが変わらないように調整されます。

深夜や早朝など、走っている列車の本数が少ない時間帯は、近くで電気を使ってくれる列車が見つかりにくいため、回生失効が起きやすくなります。この対策として、回生電力を一時的に蓄えておく回生電力貯蔵装置(蓄電池やフライホイールを使うものなど)を変電所付近に設置したり、余った回生電力を送電線側の交流に変換して戻す電力回生インバータを備えたりする例があります。こうして蓄えたり変換したりした電力を、駅の照明や空調に活用する取り組みも見られます。

現在の電車の多くは、電気指令式ブレーキや電磁直通ブレーキと呼ばれる仕組みで、回生ブレーキと空気ブレーキを協調させて制御しています。運転士がブレーキを操作すると、まずできる限り回生ブレーキで減速し、回生だけでは足りない分や回生失効した分を空気ブレーキで補うことで、なめらかで無駄の少ない減速を実現しています。

交流と直流の境目 ― デッドセクション

直流区間と交流区間が接続する場所には、どちらの電気も流れていない無電区間が設けられており、これをデッドセクションと呼びます。直流と交流はそのままつなぐことができないため、境目の架線をあえて電気の来ない状態にしておき、両方の電化方式に対応した交直流電車がここを惰行(モーターに電気を送らず、惰性で走ること)で通過する間に、車両側の回路を直流用から交流用へ、あるいはその逆へ切り替えます。

デッドセクションを通過している間はパンタグラフから電気が来ないため、車両によっては車内の照明が一瞬消えたり、非常灯だけが点灯する状態になったりすることがあります。切り替えの方式には、地上側の設備で自動的に電源を切り替える地上切替と、車両側の機器が電圧などを検知して自ら切り替える車上切替があり、路線や設備によって採用されている方式が異なります。

デッドセクションが設けられている場所の例としては、常磐線の取手から藤代にかけての区間、東北本線の黒磯付近、北陸地方の敦賀付近などが知られています。こうした場所では、直流電化された都市近郊の区間と、交流電化された地方の区間とがひとつの路線の中でつながっています。

この教材で試せること

この教材のシミュレーターでは、ここまで説明してきた仕組みを、実際に操作しながら確かめることができます。まず、電化方式を直流1500Vと交流20000Vのどちらかに切り替えて、電圧や電流の違いを比較できます。マスコン(運転士が使う主幹制御器という操作ハンドル)を使って、力行ノッチ1から4までの加速操作、惰行(電気を使わずに走ること)、ブレーキ操作を、それぞれ自分の手で試すことができます。

また、変電所からの距離を変えることで、電車が変電所から離れるほど架線の電圧がどれだけ下がっていくかを確かめられます。線路の勾配(‰)を変えて、坂道が加速や減速にどう影響するかを見ることもできます。回生ブレーキのオンとオフを切り替えたり、近くに加速中の列車がいるかどうかという条件を切り替えたりすることで、回生ブレーキが正常に働く場合と、回生失効が起きてしまう場合の違いを再現できます。

画面上では、電流が実際にどちらの向きにどれくらい流れているかがアニメーションで表示され、回生ブレーキが働いているときには、その流れが加速時とは逆向きになる様子を見ることができます。さらに、車両内部の機器構成図に切り替えると、パンタグラフから主電動機に至るまで、電気がどの機器を通ってどのように姿を変えていくのかを順番に追うことができます。

この教材で表示される数値は、実際の鉄道でよく見られる代表的な値をもとにした簡略化したモデルであり、特定の車両や路線の設計値そのものではありません。

用語のミニ辞典

き電

変電所から架線を通じて電車に電気を供給すること、またその仕組み全体を指す言葉です。

き電線

変電所から架線まで電気を送るために張られている専用の電線です。

トロリ線

パンタグラフのすり板が実際に接触して電気を受け取る架線のことです。

ちょう架線

トロリ線をハンガーで吊り下げて支えている、架線の上部にある線です。

偏位

トロリ線をパンタグラフのすり板の1か所だけが削れないよう、左右にわずかにジグザグさせて張ることです。

パンタグラフ

車両の屋根に取り付けられ、架線に接触して電気を受け取る集電装置です。

すり板

パンタグラフの先端にあり、トロリ線と直接接触して電気を集める部品です。摩耗を前提とした消耗部品です。

離線

走行中にパンタグラフが架線から一瞬離れてしまう現象で、小さなアークを伴うことがあります。

変電所

送電線から届いた電気を電車が使える電圧や種類(直流または交流)に変えて、き電線に送り出す施設です。

整流器

交流の電気を直流に変換する装置で、直流変電所の中でシリコンダイオードなどを使って構成されています。

デッドセクション

直流区間と交流区間の境目などに設けられる、電気の来ていない区間です。

エアセクション

電気的に区切られた架線の区間の継ぎ目で、電車が停車すると架線を傷める恐れがあります。

VVVFインバータ

可変電圧可変周波数インバータの略で、モーターに送る交流の電圧と周波数を変えて回転数を制御する装置です。

コンバータ

交流を直流に変換する装置で、交流電車では主変圧器の後段に置かれています。

主変圧器

交流電車に搭載され、架線から取り込んだ高い電圧の交流を、車両で扱いやすい電圧まで下げる装置です。

かご形三相誘導電動機

ブラシや整流子を使わない構造のモーターで、現在の多くの電車で主電動機として使われています。

回生ブレーキ

減速時に主電動機を発電機として使い、運動エネルギーを電気に変えて架線へ送り返すブレーキです。

回生失効

回生ブレーキで生まれた電気を使ってくれる列車が近くにおらず、架線電圧が上がりすぎて回生ブレーキが使えなくなる現象です。

粘着

車輪とレールの間に働く摩擦のことで、これによってのみモーターの力が走行力として伝わります。

空転

モーターの力が粘着の限界を超え、車輪だけが空回りしてしまう現象です。

パーミル

‰と表記される、勾配のきつさを表す単位で、1000メートル進む間に何メートル高さが変わるかを示します。

MT比

編成の中でモーターを持つ動力車(M車)と、モーターを持たない付随車(T車)の比率のことです。

SIV

補助電源装置の略称で、車内の照明や空調、ドアなどに使う電気を主回路とは別につくる装置です。

走行抵抗

電車が走るときに進行を妨げる力の総称で、速度が上がるほど空気抵抗の影響が大きくなります。