鉄道の電化、「直流」と「交流」の2つの方式

2020年6月12日(金) 鉄道コムスタッフ

モーターを持つ「電車」が走るためには、電気の供給が必要です。そしてこの電気の流れ方には、「直流」と「交流」の2つがあります。

鉄道用の電源としては、現在では直流と交流が共に使われていますが、それぞれで車両や機器類の仕組みも異なります。これを統一してしまえばいいのに……と思われる方もいらっしゃるかもしれません。なぜ、この2つの方式が併用されているのでしょうか?

鉄道では扱いやすい「直流」

直流とは、プラスからマイナスへ、1方向に電気が流れるものです。身近なものでは、乾電池が直流電源となっています。

1800年代末期に世界で初めての電車が生まれてからしばらくの間、鉄道の電化方式は直流が一般的でした。構造が単純な直流モーターを使用できるなど、交流に比べて鉄道車両側の機器設計を簡単にできたためです。

日本においても、1895年に京都電気鉄道が開業して以来、戦前の営業路線ではもっぱら直流電化が採用されてきました。現在、首都圏、中京圏、関西圏の3大都市圏では、JR・私鉄とも直流電化が主流となっており、本州の都市部やほとんどの私鉄路線においては一般的な方式となっています。

山手線を始めとする都市部のJR線やほとんどの私鉄路線は、直流電化を採用しています
山手線を始めとする都市部のJR線やほとんどの私鉄路線は、直流電化を採用しています

電化路線では、直流・交流とも、電力会社などから給電される変電所より、架線や第三軌条などを介して電車へ電力を供給しています。この供給電圧は、日本国内においては直流が1500ボルト、750ボルト、600ボルトの3種、交流は単相20000ボルト、単相25000ボルト、三相600ボルトの3種が、それぞれ主に用いられています。

直流電化では、架線や第三軌条などがプラス側となります。この架線からパンタグラフなどの集電装置を経由して、電車へ供給されます。

マイナスは、というと、電車が走るレールがこれに相当します。車輪からレールを伝って、変電所へと電気が帰るのです。この際、レールは地面と完全に絶縁されてはいないため、一部の電流は地中へと漏れています。この漏れ電流は、変電所付近で吸い上げられ、レールを経由した電流と同様に、変電所へと帰っていきます。

直流電化の模式図。赤がプラス、青がマイナスです
直流電化の模式図。赤がプラス、青がマイナスです

新幹線などで使われる「交流」

交流とは、一定時間ごとにプラスとマイナスが入れ替わる電流です。身近なものでは、家庭用コンセントが交流を採用しています。コンセントにプラグを差す際、どちらの向きでも機器が問題なく使用できるのも、電流のプラスとマイナスが入れ替わる特性のためです。

プラスとマイナスが入れ替わる交流の電圧を示したグラフ。上がプラス、下がマイナスです
プラスとマイナスが入れ替わる交流の電圧を示したグラフ。上がプラス、下がマイナスです

また、プラスとマイナスが1秒間に入れ替わる回数の単位を「ヘルツ」(Hz)と言います。日本国内の商用電源では、糸魚川静岡構造線を境に、東日本が50ヘルツ、西日本が60ヘルツを採用しています。これは、当時の東京側の電力会社がドイツ製の50ヘルツ発電機を、同じく大阪側の電力会社がアメリカ製の60ヘルツ発電機を、それぞれ採用したことが原因。この東西の周波数の違いが、現在も尾を引いているのです。

鉄道業界においては、交流電化は第二次世界大戦後まで主流となりませんでした。第二次世界大戦前のドイツ周辺や北欧では、単相15000ボルト・16と3分の2ヘルツによる交流電化が進められましたが、それ以外の国々へ広まることはありませんでした。

現在の商用電源周波数による交流電化は、同じくドイツのヘーレンタール線(Hollentalbahn)が始まりです。当時のドイツ帝国鉄道は、この路線を20000ボルト・50ヘルツで1936年に電化しました。

第二次世界大戦終結後、この路線が走る地域を占領下に置いたフランスは、この交流電化の技術を吸収。フランス国内で同一電圧による試験を実施した後、電圧を25000ボルトに昇圧した形で、パリ近郊を除く国内電化路線の主流方式としたのでした。

日本でも、このフランスの成功に影響され、1950年代より交流電化の試験を開始しました。試験路線として仙台と山形を結ぶ仙山線が選ばれ、1955年に一部区間が交流で電化されました。1957年には営業運転も開始。日本で初めて交流電化が実用化された路線となりました。

現在では、全ての新幹線路線と、北海道、東北、北陸、九州のJR線のほとんど、JRの交流路線と直通運転している阿武隈急行線、仙台空港鉄道仙台空港線、新幹線開業によってJRから経営分離された7社線、そして後述の「特別な理由」によるつくばエクスプレスが、単相交流を採用しています。電圧は、山形・秋田を除く各新幹線が25000ボルト、山形・秋田新幹線とその他の各在来線・私鉄路線が20000ボルトとなっています。

日本の新幹線は、山形・秋田新幹線の在来線区間を除き、すべて交流25000ボルトで電化されています
日本の新幹線は、山形・秋田新幹線の在来線区間を除き、すべて交流25000ボルトで電化されています
北海道や九州のJR在来線も、その多くが交流20000ボルトで電化されています
北海道や九州のJR在来線も、その多くが交流20000ボルトで電化されています

なお、ゆりかもめやポートライナーなどの一部新交通システムでも、交流電化を採用しています。こちらは通常の鉄道とは異なり、三相交流(プラスとマイナスが入れ替わる「波」を1/3ずつずらしたもの。3本の電線で供給する)600ボルトという低圧での供給です。

欧州の電化で一時採用された三相交流。なお、現代の鉄道車両では、VVVFインバータ制御装置で三相交流を作り出し、交流モーターを駆動する方式が主流です
欧州の電化で一時採用された三相交流。なお、現代の鉄道車両では、VVVFインバータ制御装置で三相交流を作り出し、交流モーターを駆動する方式が主流です

1900年代前半、欧州でいくつかの鉄道事業者が三相交流による電化を試みていましたが、地上設備が複雑になる、などの理由により、幅広く普及することはありませんでした。

一方、現代の新交通システムでは、直流や単相交流よりも設備を簡素化できること、一般の電車のような架線を使用しないために地上設備がそれほど複雑にならないこと、などの理由から、一部路線では三相交流を採用しています。

三相交流600ボルトを採用したゆりかもめ
三相交流600ボルトを採用したゆりかもめ

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