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直流電化・交流電化


 常磐線の電気方式は上野~取手のみ直流電圧1500V、これ以外の区間は交流電圧20000Vで動いている(電流は形式によって異なるので省略)。もちろん電気方式が分かれている理由は柿岡地磁気観測所にあり、直流電流は磁場の発生が免れないために直流電化が難しい。これは以下のような省令で基準が設けられている。

  電気設備に関する技術基準を定める省令

  • (地球磁気観測所等に対する障害の防止)
  • 第四十三条  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。

 ここで記されている「電線路」とは、変電所から架線へ電気供給するための電線を指す。また「電車線」とは電車が実際にパンタグラフなどの集電装置と接触する部分であり、直流電気鉄道では600V・1500Vなどが流れている。帰線とは電気が変電所に戻るまでのルートであり、一般的には線路そのものを使って変電所付近まで通って吸上げ装置等で変電所に戻る。

 上記の通り電車には原則として電気が変電所に戻る「帰線電流」があるが、帰線からの電気が何らかの理由で大地に漏えいすることがある。これを「漏洩電流(漏れ電流、あるいは迷走電流)」という。電流が大地に漏洩すると地磁気観測に影響が出て、更に周囲の埋蔵配管や建築物にも深刻な打撃を与える。今の「鉄道に関する技術上の基準を定める省令」の第四十五条では「レールから大地に流れる漏えい電流が少なくなるように施設しなければならない。」となっているにすぎず、今の鉄道では少なからず電流の漏えいがあって周辺地域の金属類や建築物に深刻な打撃を与えているものと推測出来る。この漏えいが交流電気であれば(通信施設に影響を与えるが)地磁気観測に影響は少なく、直流電気であれば影響が出るという。このため電気鉄道および送電線・配電線は、あるサイトさんによると「直流電気鉄道から5キロメートル以上、交流電気鉄道、送電線鉄塔からは2キロメートル以上、配電線からは500メートル以上離れていなければならない」と記されている。漏洩電流の流れる区間を限定することで地磁気観測への影響をできる限り小さくする、という考え方でRPき電方式とセクション方式の2つの直流電化方式が開発された。

 RPき電方式は、同様の問題を抱えていた内房線木更津以南の電化工事で採用された方式で、低コストの直流変電所を短い間隔で設けようというもの。欠点は、電力設備の運用が非常にやりづらいというがあり、「低コストの直流変電所」を後で「普通の変電所」に改修する羽目になり、結局高価な設備にってしまったという。

 セクション方式は従来の直流電化とは異なり「1き電区間にき電する変電所を1つに限定する」として、ある変電所と電車の間のみ帰線電流を流すことで迷走電流を小さくしようとするもの。そのために、変電所のき電線引出口に大容量のダイオード(またはそれに類するデバイス)を設け、さらに変電所の近傍のレールに「レール絶縁装置」を設ける。これは比較的低コストで実現できる。回生ブレーキが非常に効きにくくなる欠点があるが、今は下記「では帰線となる電気を~」で問題は少なくなってきているように考えられる。(それぞれ常総線って電化しないの?より引用)

 素人的な考えだが、変電所を多く作るよりは、道路脇に設置されているような小型受電設備を鉄道線路脇に多く設置して、これに交流→直流変換機能を持たせて架線に直流電気を送る方式はどうだろうか?(小規模のPWM変電所とし、複数基で電車へ流す電流をまかなう。) これなら大型の変電所を多量に作る必要は無いし、やっている事は上記の各方法と変わらないと予想するが。また「帰線は変電所に戻る」の部分も「帰線は線路脇の受電設備に戻る」となって、さらに観測への影響を少なくする期待が持てるが、どうだろうか? あるいは設備の関係で「電気は必ず変電所に戻る」というのであれば、直流→交流変換機能で特高圧の交流50Hzに変換して変電所に戻せば良い。

 つくばエクスプレスではPWM変電所と呼ばれる施設を採用しており、各変電所間を従来通りとしながらも電圧を出来るだけ一定にする変電所が全直流電化区間で採用されている。基本的には各変電所の電圧を出来るだけ一定にし、変電所間の電位差による大地帰路電流(漏洩電流)を限りなく小さくするのだという。PWM変電所は約5km間隔で設置され、1基あたり十数m平方(高さは不明だが、約3m~5mほどか?)の大きさ。PWM変電所は漏洩電流の防止にも効果があり、既存の「地磁気観測所付近で直流電化する場合は、観測所の要望としては2km間隔に変電所を設置し~」よりも間隔を広げられると推測出来る。しかも一般的な直流電化区間での変電所設置間隔は5~10kmほどのため、常磐線もPWM変電所などで直流電化の可能性が見えてきた。(JRの公式見解は、あくまでも「直流電化の予定は無い」としている。) 余談だが、つくばエクスプレスは直流区間に9カ所の変電所を、交流区間に1カ所の変電所を設けている。なぜ交交セクションがあるのかについては、現在調査中である。

 取手~いわきを直流電化する場合は佐貫~勝田まで地磁気観測所の30km圏内なので、勝田まではPWM変電所など漏洩電流に効果的な方式で直流電化する必要がある。勝田~いわきは30km圏から外れるため、従来通りの直流電化で良いだろう。ダイヤによっては、久ノ浜など直流電化を延伸しても良いだろう。いわき~仙台を直流電化する場合は、仙台圏で既に交流電化が主体なのでこちらもメス入れする必要が出てきてしまう。

 最近の動向としては、TXでもそうだが線路のジョイント部分を絶縁して電流を吸上げて、帰線用の電線を通して変電所に電気を戻すことで漏洩電流を防ぐ場所もあるという。

 ところで、水戸線の存在も気になる。水戸線はかつて多くの貨物列車が走っていて黒字を確保していたという(実際に何本走っていたのかがいまいち分からない・・・)が、その時も交流電化のままだった。常磐線を直流電化しても水戸線が直流電化しなければ、運用的に合理的とは言えない。

 また交流電化の原因とされる地磁気観測も、実は長周期成分の観測と短周期成分の観測の二種類に分かれている。成分変化が遅い長周期はそれこそ100年単位の継続が不可欠で、移転したら一から観測をやり直す必要があるとまで言われているが、変動が遅いため直流電車が走った時のノイズの許容限界が非常に大きいので実は直流電化しても問題無い。一方の成分変動が激しい短周期はノイズの許容限界が小さいため観測所を移転しなければならないが、5年程度の比較観測でデータの接続ができるという結論になった。といっても地磁気観測は火山帯などを嫌うため、移転場所のメドがついているか不明だが・・・。いずれにしても短周期観測では「漏洩電流による影響」を考えなければならない。なお交流電気が影響は少ないというのは、地磁気観測で1秒間未満の周期を観測対象としていないためである。

「末廣政府委員 地磁気の観測には、短周期に変動する成分と、長周期に変動する成分がございまして、その長周期に変動する成分につきましては、筑波学園都市付近まで直流電気鉄道が通りましても、ある程度の配慮をしていただければ影響はない、ただ、単周期成分につきましては、やはり三十五キロ以内に直流電気鉄道が近づきますと影響が出ますので、これは例えば他の立地条件のいいところに移すというようなことでしのげるのではないかということが今検討の対象になっているところでございます。」
(昭和六十年三月八日(金曜日) 第102回国会 予算委員会第七分科会 第2号より引用)

 ところで直流電気で観測に影響が無いようにする実験や計算ばかりがおこなわれていて、実際に「影響が出る距離を導くための実験をした、変電所・電流とも実用レベルとして地磁気観測模擬施設を作ってなるべく観測所の事を考えないで直流電流を流した」・・・などの話は聞いた事が無い。地磁気観測所が赤坂から移転したのは1914年。これより前に既に直流電気鉄道として「東電(現在の都電)」があったにも関わらず「東京周辺の列車が電化して影響が出たから移った」としか書いておらず、具体的に何線が電化して影響が出たのか? どんな天候下(雨なのか晴れなのか、雨天翌日晴れなのか・・・など)で影響が出たのか? その季節・期間や時間帯はどのような条件で影響が出たのかなどの話を聞いた事が無い。茨城県の常陸太田市での地電位観測も日立電鉄の漏洩電流による影響が出たが、これは「雨天の翌日で晴れの日に、高気温の時に初めて出る影響」だった事が分かった。雨の水が高温で蒸発しようとし、線路と地面の導通をよくしていたためであり、電車が変電所付近を通過する時刻と観測グラフの向きが逆転する時刻が一致したため分かった事である。異常が出た場所から観測地点までは4kmしか離れていないが、様々な悪条件が揃って初めて影響が出たレベルである。また小山(すぐそこに直流電化路線)・下館(小山から約15km離れた地点)で同様の観測がおこなわれたが、小山では電車が走っている時間帯で全て観測に支障が出たのに対して下館では一切の影響が確認されなかったという。

 以上の事実から30kmも離さなければならないという一般的認識が都市伝説である疑いは晴れず、具体的に「基本的に影響が出ない距離や方式」や「法令において何キロ離さなければならない」といった基本的な部分が噂レベルでしか分からないというのは、釈然としない・・・というのが本音である。これらの詳細についても、ご指導等いただければ幸いである。

 改めて分かってきたことだが、実際のところ距離はもちろんだが「線路周りの状況」によって漏洩電流の有無は大きく異なるという。例えば埋設配管が金属製であれば、これを伝って漏洩電流が発生する。さらに線路付近でゴミが付着して、これが漏洩電流の原因になることもあるという。逆に言えば線路と地面の間をコンクリートなどでシッカリと絶縁すれば、それだけ漏洩電流は発生しづらくなるという(例えばスラブ軌道などは理想的という)。2008年現在、線路改良工事は各線で始まったが、常磐線はまだ着工していない。常磐線で着工する場合、漏洩電流に対応した路面に改良出来ないものか?(平成20年08月24日追加)

 TXでは「弾性枕木直結軌道」という軌道を用いている。構造は線路下に普通に枕木を敷き、その下にコンクリート道をレールの向きに敷く。このコンクリート道にクボミがあり、そこに枕木を差し込む。枕木とコンクリートの間に弾性材(ゴム)を差し込む。コンクリート道の取り替えも簡単に出来て、目視ではTXが約5m単位でコンクリート道の部品を構成しているように見える。
 TXの線路の下の構成は、ゴム、コンクリート、コンクリート、高架橋ときて、ようやく地面となる。常磐線でも同様の構成(高架橋はともかく)にしてゴムに絶縁性のものを用いれば、漏洩電流対策として更に効果的ではないだろうか? もちろん良導体の要因(例えば雑草など?)の除去も、漏洩電流対策として必須になる。(平成20年09月17日追加)

 上記TXについて、雨が降っただけで漏洩電流が発生するという。よって直流化の基準は「漏洩電流が観測基準を上回るか否か」によるものと分かってきた。しかしどれほどの電気が流れてしまった際に、この観測基準を上回るのかはいまだに分からない。しかも「もしそんな基準のような数値があったら、疑ってかかれ」というのが現時点の常識らしいので、直流化の道のりは長そうである。(平成20年12月18日追加)



無架線電車、架線レス電車


  ではここまでで色々と問題になっている「帰線」となる電気を、そのまま車内で再利用出来るとしたらどうだろうか? 今までの世論は「電気は蓄積することが出来ない。例え出来たとしても、ほんの少量でしかない」というのが常識だった。従来の回生ブレーキなどの電気も架線に戻すしかなく、架線へ戻せなくなった瞬間から帰線となって電気は線路に流れていた。しかも回生失効はわずか2~3分で発生し、日中の山手線でさえ回生失効している計算になる。しかし近年これの常識を覆す発明がされた。知る人ぞ知る「電気二重層コンデンサ」である。

  コンデンサ(キャパシタともいう)は電気を使う時に化学反応が起きないため使用による劣化が無い事と、白金・リチウム・コバルトなどといった地球上存在量が非常に少ない「レアメタル」を使用しない事が大きな特徴として挙げられる。基本的には電圧と、電流に代わる「静電容量(F)」で能力を表す。ただし実際に電気が流れている時は、数値として「アンペア」で表す。理論は昔からあったものの最近の技術革新は目覚しいもので、特に今まで熱として捨てていた電気をほぼ100%回収出来るキャパシタまで登場している。今後の発展次第で大量に積むことに成功すれば、列車の電源として十分期待出来る。

  JR東海では313系の一部編成に電気二重層コンデンサを実験的に搭載し、縦90cm×横90cm×高さ70cm程度の小さい貯蔵システムで、なんと加速時に必要な電力の 2%程度 を賄うことに成功した。またリチウムイオン電池とコンデンサの利点を合わせた新型電池まで登場しているという(寿命が書かれていなかったが)。

  上記のように電車に積まないでも、変電所の補助としてコンデンサを線路脇などに設置して帰線電流となるはずの電流をこれに蓄え、電車が通る時にトロリ線に流すなどで安定化も図れる。鉄道総研でも同様の研究がおこなわれているが、これは変電所内での実験なのか線路脇でのイメージなのかは分からない。詳細は鉄道総研のページの通りだが、現時点でもこれだけの大きさで500Aを10秒間も流せるという。2008年1月26日現在、筆者がもっとも推奨する方法がこれによる直流電化サポートである。

  再び車載に戻るが、2006年4月に追い風となる発表もあった。ディーゼル発電で動いていた車両「NEトレイン」だが、このたびクモヤE995系・燃料電池電車として生まれ変わって試運転に望むという。


  コンデンサと燃料電池はお互いの最大の欠点を補足し合い、最大の利点をそれぞれ高めている。コンデンサは瞬時に電気を取り出せるのに対してエネルギーは少ないが、燃料電池は電気を作るのは遅いもののエネルギーは強い。そのお互いの性質を調整するための装置がDCDCコンバータである。このため多くの研究機関が燃料電池とキャパシタのハイブリットに注目している。ただし現時点ではリチウムイオン二次電池などの方がエネルギー密度が高いため、こちらが蓄電装置として利用される。リチウムは海水に2300億トン(回収・使用可能分)が含まれているというので、今後の技術次第ではコンデンサよりもリチウムイオン電池が引き続き主流となるかもしれない。

  燃料電池電車のメリットとしてJREは「架線を無くすことでコスト削減と景観向上が期待出来る」としているが、これはすなわち鉄道では架線そのものがいらなくなる事を意味し、常磐線の電化問題の根本をなくすことを意味する。架線が無くなるという事は列車自体で閉じられた回路が出来るので、自然と帰線が無くなる事を意味する。そのことは既に一部のページでも触れられている模様なので、紹介させて頂きたい。


  もちろん燃料電池に必須となる水素分子は「単独」では自然界に存在せず、水素を人工的に作ると「水素を作るためのエネルギー > 燃料電池のエネルギー」(=環境に優しいどころか、むしろ悪影響)なので自然界の不安定要素(風力発電等自然力発電による水分解、光触媒など)や水素化合物に頼らざるを得ないのが現状だが、自動車の大御所であるトヨタに加わって鉄道業界の大御所であるJREが乗り出したとあれば鉄道業界での燃料電池は非常に期待が持てると思って良いだろう。一部では「アルミニウム素材に水を入れるだけで水素を取り出せる物」まで発明されており、自然に対して無害かつ安定的に水素を取り出せる日は近いかもしれない。

  余談だが常磐線を交流電化に決めた方々は、いったいどのような思惑だったのだろうか? 常磐線の混雑のひどさは1930年代から国会で質問されるほどの問題だったとされており、いくらなんでも常磐線の潜在需要を見抜けなかったとは思えない。一方で当時(1949年頃)から30年前(1914年)に茨城県に移した観測所をまた移すのかという思いでもあったのだろうか? それでも常磐線は「上野~取手の電化完了」から「取手以北の電化」が10年以上も空白となっているため、この期間内で常磐線の電化について長い議論がおこなわれていたのは間違い無いだろう。

  なお、これらも含めて「電気方式の改善」にはどのような方法があるか? 以下のアンケートと合わせてご意見を募集中である。また選択肢を選ばれる方は、その理由も合わせてご教示頂ければ幸いである。

(2008年02月21日、修正)

選択肢 投票
観測に影響を出さないように、いわきまで直流電化 (3004)
燃料電池発電列車 (2)
全電池・全コンデンサ電車 (1)
燃料電池等や電池等のハイブリッド電車 (1)


  • http://aquila.at.webry.info/200608/article_4.html -- 地磁気に対して影響の少ない直流電化方式 (2007-07-27 17:13:33)
  • 東海道線の直通にE533系(東海道線の211系の置き換え)が噂されているが、常磐線も東海道線に直通させるのだったら、共通できる車両のために、直流化させるのが、一番である。
    片乗り入れより総合乗り入れの方がいい。交直流電車だと能率が悪い。 -- 匿名希望 (2007-09-11 22:37:01)
  •  書き込みありがとうございます。さて本サイトでは「いわきまで直流電化を~」と煽る一方で、実はE233系が常磐線の運転に耐えられない疑いがある事が分かりました。何でも滑走制御はE531系が軸単位なのに対して、E233系が台車単位でしか無いとか・・・? E233系の詳細スペックが載っている本を買っていないので、あとで調べてまいります。 -- 管理人 (2007-09-12 20:26:07)
  • >PWM変電所は漏洩電流の防止にも効果があり
    それなのに、なぜTXの守谷以北が、交流電化
    なのですか? -- 名無しさん (2007-09-14 23:27:55)
  • 交直流の中電と直流の快速の二つは、統一して、
    直流専用の中電にするべきだ!
    E531系やE533系と同様の性能をもつ
    直流専用のE235系にでもするべきだ。 -- 匿名希望 (2007-09-14 23:31:49)
  • >それなのに、なぜTXの守谷以北が、交流電化
    なのですか?

    引き続き情報収集中ですが、現時点では単に価格が「直流化 < 交直車両」なのだと予想します。確証は得ておりませんが、TXの交流区間の変電所は1つしか無いとか・・・?? -- 管理人 (2007-09-15 21:19:55)

  • 価格の安さが「直流化 < 交直流車両」~という意味です。 m(_ _)m -- 管理人 (2007-09-15 21:25:12)

  • E233系についてですが、よく考えたら電動車の比率が高いのでスペック通り140km/h運転で600m以内で止まれるかもしれません。またリンクについてですが、全てでリンク切れをおこしておりましたためいったん削除いたしました。ご了承下さい m(_ _)m 再度参考ページが見つかりましたら、改めて記入頂ければ幸いです。 -- 管理人 (2007-10-06 21:38:53)
  • 常磐線・地磁気観測所対応新電化方式 -- 名無しさん (2007-10-08 15:21:55)
  • ↑ -- 名無しさん (2007-10-08 15:22:29)
  • http://cocoa.2ch.net/test/read.cgi/rail/1030682201/ -- 名無しさん (2007-10-08 15:22:41)
  • 上記方法ですと、直流電気区間では「ショート」してしまう気が・・・。 -- 管理人 (2007-10-12 21:43:41)
  • E501系が投入される前にJRは快速電車の土浦延伸をするために、土浦までの直流化を考えていて実現できたら209系を投入する計画があったと聞いたのですが、断念してE501系を渋々投入させたそうです。どの方式で直流電化させようとしたのでしょうか?RPき電方式ですか?それだったらもっと早く考えられてたと思うし、セクション方式ですか?それもつくばエクスプレスに検討された物が常磐線で駄目になったのを使用するはずないし、わかりません。ご存知ありませんか? -- 匿名希望 (2007-10-18 20:55:48)
  • 情報ありがとうございます。残念ながら私では「土浦までの具体的な直流電化方法」となる詳細をえておりません。 -- 管理人 (2007-10-26 22:09:31)
  • 当ページでの本題はあくまでも「無架線電車」の可能性なので、ちょっとそれを強調する構成にしてみました。 -- 管理人 (2007-10-26 22:59:34)
  • 無架線電車方式から、ちょっと直流電化方式へと考え方が変わってきました。 -- 管理人 (2008-01-26 18:10:21)
  • 間違えて燃料電池発電列車に一票入れてしまいました。燃料電池発電列車の欄を0に戻して下さい私は、直流電化派なので。 -- 名無しさん (2008-02-18 22:39:37)
  • 反映しました。 -- 管理人 (2008-02-21 00:12:10)
  • 管理人さん、ありがとうございました。 -- 名無しさん (2008-02-22 00:15:30)
  • E531は、直流車より若干高い程度までコストダウンされています。MT比率、機器二重化 -- 常磐線生まれ (2008-03-18 04:15:16)
  • MT比率アップ、機器二重化により直流車が高いくらいです。電気方式を -- 常磐線生まれ (2008-03-18 04:18:21)
  • 常磐線の電気方式を検討する必要性は低下していると考えます。 -- 常磐線生まれ (2008-03-18 04:20:35)
  • 電車の値段は基本的に「受注数」によりますので、E231系常磐我孫子版が出た時は15両10億円、その数年後のE531系が1両約1億円だったことを考えると、まだ交流電車の値段は高価かと思われます。 -- 管理人 (2008-03-20 10:09:48)
  • 東北縦貫線の工事が始まるようだ常磐線も東海道線に直通させたいのならば常磐線より格が上の東海道線に合わせて直流化するべきであるE533系は投入するべきではない。片乗り入れは良くない。 -- 匿名希望 (2008-03-27 23:32:39)
  • 確かに上記で「交直流車はまだ割高だ」としましたが、E531系はE231系の初期費用に近い金額となりました。E533系が出るとした場合、各線へのE233系の大量導入で総数を増やし、交直版価格を抑えてくるのは間違いないでしょう。 -- 管理人 (2008-04-04 00:38:49)
  • 追加ですが、国電総研さんには仮称E533系は「田町に導入」とありますので、これが出る事によって常磐←→東海道は相互直通になるのでしょう。 -- 管理人 (2008-04-05 12:33:40)
  • 覚書 : 国電総研更新 → 田町211系は結局E233系3000番代になる見込み → orz -- 管理人 (2008-04-23 00:10:39)
  • 大井工場でお伺い出来た話を、更新しました。 -- 管理人 (2008-08-24 22:14:54)
  • 改行を出来るように
    いたしました。 -- 管理人 (2008-09-13 16:55:06)
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