国鉄781系電車（こくてつ781けいでんしゃ）は、日本国有鉄道（国鉄）が設計・製造した特急形電車である。

概要 
国鉄では唯一となる交流専用の特急形電車で、北海道初の電車特急用として北海道総局の要望をできる限り盛り込み、酷寒地の気候に適応した車両として設計・開発された。

開発の背景 
函館本線の小樽駅 - 札幌駅 - 旭川駅間は都市間輸送の盛んな区間の一つであり、1968年（昭和43年）の小樽駅 - 滝川駅間電化開業時から711系近郊形電車で運転を開始した「かむい」や、1971年（昭和46年）から札幌駅 - 旭川駅間をノンストップで連絡した「さちかぜ」などの電車急行が好評であった。

国鉄ではこれら電車急行の特急列車化を考慮した車両を模索する動きがあった。計画は程なく具体化し、台車・電気機器などはすでに実績のある711系の仕様を基に、内装・外観は当時の標準特急形電車であった485系と同等の仕様として、北海道向け特急形電車の計画・設計が開始された。

1972年（昭和47年）、公害防止のためポリ塩化ビフェニル (PCB) の製造が禁止となる。当時の交直流・交流車両の主変圧器の絶縁油としてPCBは一般的に用いられており、代替品の確保が課題となった。711系の主変圧器も例外ではなく、新形式車両の計画は頓挫する。暫定策として、当時PCB対策が完了していた485系の各部を酷寒地向けに仕様変更した485系1500番台を1974年（昭和49年）に製造し、1975年（昭和50年）7月18日からエル特急「いしかり」として運用を開始した。

485系1500番台は冬場において北海道特有の零下10度を下回る低温や、乾燥した細かい雪質に起因する故障が、電気・機械関係ともに頻発し、エル特急の運行そのものが危機的状況に追い込まれるに至り、恒久的な耐寒対策を備えた特急形車両の開発は喫緊となった。これらの気候・技術的課題をクリアして開発されたのが本形式である。

車両概説 
本項では試作・量産車との共通事項について述べ、量産車での変更点は別途記述する。

車体 
形態は当時製作されていた485系1000番台に準ずるが、側窓の天地寸法は485系に比べ小さく、床面高さは65 mm（レール面基準）高い。耐寒対策として車内保温のため窓を小型化し、床下に断熱材と主電動機冷却風洞の空間を確保するための構造で、711系の仕様に準拠する設計である。客用扉は他の特急形電車と同様、幅 700 mm の片開き扉を片側1箇所に設けるが、ステップやドアレールのヒーターは強化されている。

先頭車両の前面運転席窓下部分は走行中の着雪を防ぐため、485系より丸みを帯びている。灯火類は正面下部左右に前照灯・標識灯を各1灯設けるほか、運転台上部中央に2灯の前照灯を設ける。灯火類は着雪による「隠ぺい」を防ぐため露出形で、電球交換も外ハメ式とされた。

外部塗装は他の国鉄特急形車両と同様、クリーム4号に赤2号の配色であるが、前照灯・標識灯部横の赤帯は高い位置に配し、正面愛称表示器まで回して雪中での被視認性を向上させている。

電動車のクモハ781形とモハ781形では、車体側面に向かって左側（1・4位側）に「雪切室」（ゆききりしつ）を設ける。これは主電動機の冷却風を取り入れる際に雪を分離するためのもので、車体側面の高い位置から吸気し、雪切り室内部の送風機によって床下の風道を経由して主電動機を冷却する構造は711系と同一のものである。凖密閉で他力通風冷却方式の主電動機（冷却扇を持たない）と二重構造の床で、同形式電動機を装備する一般的な国鉄形特急車両に比べ、電動車内はもとより車外騒音も低い。

空調故障など非常時の換気のため、客室窓の一部は開閉可能とされた。各車両の両側車端から2番目の窓上部 1/3 程が下ヒンジで内側に開く内傾式の機構であったが、アルミサッシによる冬季の結露が避けられないことと、保守や見栄えの観点から量産車では採用されず、試作車も後に一般的な固定窓に改造されている。

室内換気は屋根上に2基搭載した、雪切機能を備えた「新鮮外気導入装置」を用いる強制換気方式で、各車の車体側面幕板上部に設けられた外気取入口（片側2箇所）から吸気し、天井長手方向に設けられた吹出口から空気を室内に供給する。車内の気圧を高め、雪の吸い込みを防止するための仕様で、従来車両にあった自然通風式の通風器は装備しない。冷房装置は集中式ユニットクーラーのAU78形を屋根上に1基搭載し、電源は主変圧器の3次巻線から直接供給される。

機器類 
電装機器の配置は、国鉄新性能電車の標準構成である電動車の2両ユニット方式を採らず、「電動車・電源搭載付随車ユニット」（M+TAユニット）を組む。本系列では、パンタグラフ・主変圧器・主整流器・主平滑リアクトルなど、電源供給に関する機器を制御車・付随車側に搭載し、制御電動車・電動車側には主制御器などを設けている。これは特急列車用として車体設備や機器設計を再検討した結果、711系に比して重量増となったこと、および 床下に機器を極力配置しないとする耐雪設計のためで、「Alternating Current」（交流）の頭文字である「A」を含んだ「TAc'」と「TA」の記号（「'」は偶数形式を表す）が、国鉄で初めて用いられている。このことから、新造特急形車両としては初めての制御電動車である、クモハ781形が設定されている。

主変圧器（TM13D形）主整流器（RS39B形）は非PCB仕様として新たに設計され、主電動機は711系と同様の他力通風方式で、417系電車で採用された絶縁強化仕様の直流直巻電動機MT54E形を用いる。

制御方式は711系を基本とするサイリスタ位相制御である。同制御方式では力行制御用の抵抗器は不要で、711系では発電ブレーキを省略していた。本系列では屋根上にブレーキ専用の抵抗器を搭載して高速域から強力に作用する発電ブレーキを装備し、711系で問題のあった制輪子・車輪の摩耗低減を図った。

歯車比は急行形電車と同一の 1:4.21 で、711系と同様に弱界磁制御は行わない。これは 120 kW / 375 V 定格で設計された MT54形電動機を最大500 V で使用し、弱め界磁制御を行わない新たな定格を定めたことで、ほぼ電圧比例の 150 kW を定格とする MT54A形（711系）/ MT54E形（781系ほか）の実用回転域の高速側が拡大したためのものである。ちなみに本系列の場合、定格速度は84 km/h に達する。

直流であれば供給電圧 1,500 V（1電動機当たり 375 V = 1ユニットあたり8電動機 / 1,500 V）が上限となって、それ以上の加速には弱め界磁制御が求められるが、界磁磁束に比例するトルクが速度反比例で低下する定出力領域（≒ 120 kW）となる。一方交流 20,000 V では、さらに高い電圧を与えることができ、電圧比例でより大きな出力（≒ 150 kW：500 V 動作）が得られる。この場合弱界磁制御は、高電圧による整流悪化などで界磁制御範囲が狭まることから、採用する必要性が薄い。タップ制御の新幹線0系電車も同じく弱界磁制御を行わない。

なお、北海道の深刻な雪害への対策は、冷却気循環系に負圧部を作らないことで実現している。485系1500番台ではそれが不徹底で、北海道の乾燥した粉雪に対応しきれず、隙間から舞い込んだ雪が機器の熱や装備されたヒーターで解ける浸水絶縁不良で運行できなくなったが、本州転属（復帰）後は支障なく運行している。
台車は711系のものに小改良を施した DT38A形・TR208A形で、インダイレクトマウント式空気ばねの枕ばねと円筒案内式の軸箱支持装置、密閉形円錐コロ軸受は共通の仕様である。

内装 
本系列は485系1500番台と同様、グリーン車を設定せず全車普通車とした。座席は簡易リクライニングシートとだが、背もたれのロック機構が追加され、モケットの色はベージュとなった。トイレ・洗面所は付随車のクハ780形・サハ780形のみに設置する。

量産車での変更点 

試作車で結露の原因となった非常開閉窓を廃止したほか、正面の愛称表示器・側面の行先表示器・客用扉のガラス支持方法をHゴムから押え金に変更した。クモハ781形・クハ780形では運転台直後の屋根上排気口を廃止している。戸閉確認灯が縦長の形状となる。

台車は形式の変更はないが、ボルスタアンカーの高さを変更して振動特性を改善した。先頭部の連結器が試作車では並形自動連結器だったのが密着自動連結器に変更された。

座席はフレームがこげ茶色となり座席の背ずりと座布団がより立体的となり、横方向のステッチが並んでいる。汚損時の保守性を考慮し、モケットを淡褐色（ベージュ系）から薄茶色（オレンジ系）に変更している。床は灰色から青色に変更された。

形式別概説 
電動車 + 付随車で不可分のユニットを構成し、札幌方から クモハ781 + サハ780 + モハ781 + サハ780 + モハ781 + クハ780 の6両編成を組む。1986年に4両編成への組成変更がなされた。詳細は後述する。

 クモハ781形
 制御電動車 (Mc) である。サハ780形とMTユニットを組成する。奇数形式を付番するが、偶数向き固定で使用される。
 主制御器のほか、電動発電機 (MG) と空気圧縮機 (CP) を搭載する。客用扉は前位の雪切室に隣接して設けられる。トイレ・洗面所は設置せず、定員は56名である。
 試作車1両（901）と量産車7両（1 - 7）の計8両が製造された。100番台（101 - 104）はモハ781形からの改造編入車である。

 モハ781形
 中間電動車 (M) である。クハ780形またはサハ780形とMTユニットを組成する。搭載機器構成はクモハ781形と同様でトイレ・洗面所は設置せず、定員は68名である。
 試作車2両（901, 902）、量産車14両（1 - 14）の計16両が製造された。1・3・11・13の4両は運転台取付の改造を施工されクモハ781形に編入。

 クハ780形
 制御車 (TAc') である。パンタグラフと主変圧器・主整流器を装備し、モハ781形とMTユニットを組成する。偶数形式（'）を付番するが、奇数向き固定で使用される。
 後位にトイレ・洗面所を設置し定員は64名である。
 試作車1両（901）と量産車7両（1 - 7）の計8両が製造された。100番台（101 - 104）はサハ780形からの改造編入車である。

 サハ780形
 付随車 (TA) である。パンタグラフと主変圧器・主整流器を装備し、クモハ781形またはモハ781形とMTユニットを組成する。
 トイレ・洗面所・専務車掌室を設置し、定員は64名である。
 試作車2両（901, 902）と量産車14両（1 - 14）の計16両が製造された。1・3・11・13の4両は運転台取付の改造を施工されクハ780形に編入。

新造車一覧表

改造

国鉄時代 
 試作車の量産化改造
 試作車（900番台）の6両について、量産車と主要部の仕様を統一する改造を1981年（昭和56年）10月に実施した。
 主な改造箇所として、車体は開閉式の非常窓を一般の固定窓に変更したほか、先頭車運転台後部の排気口を撤去した。台車はボルスタアンカの取付高さを量産車と同一位置に改造している。

 着雪防止対応
 出口を絞ったダクトに走行風を導き、高速走行時に下向きに強い空気の流れをつくる着雪防止装置を、運転席前面窓上に取付ける工事を1985年（昭和60年）から行った。これは最後尾となった運転席前面窓に、巻き上げられた雪が付着し、氷結することを防止する装備で、クモハ781形・クハ780形の全車に施工された。この装備は簡単な構造ながら効果があり、785系の改造工事の際にも採用された。

 先頭車化改造
 1986年（昭和61年）、「ライラック」増発と「ホワイトアロー」の新設に対応するため、編成あたり両数を短縮して編成本数を増やし、従来の6両編成8本を4両編成12本に組替えた。
 中間車のモハ781形・サハ780形から各4両に運転台を取り付ける改造を実施し、クモハ781形・クハ780形に100番台として編入した。
 クモハ781形100番台は、屋根上の抵抗器・新鮮気雪切装置・クーラーの取付位置が異なる。
 クハ780形100番台は、種車の車掌室を客室化し、手ブレーキ等の収納箱を設置した。元車掌室部の側窓が小窓のままで、定員は基本番台より4名少ない60名である。
 4両編成化後は、多客期に2編成併結の8両編成での運転が行われるようになり、先頭部の連結器を密着自動連結器から密着連結器へ交換している。

JR北海道 
 客用扉増設
 1992年（平成4年）以降、「ライラック」の札幌駅 - 新千歳空港駅間は快速「エアポート」として運転されていたが、一両あたりの乗降口が片側1か所であったことから快速区間では乗降に時間がかかり、遅延が常態化していた。解決策として乗降扉と出入台を増設し、側面2扉とする改造を実施した。
 当初はクハ780形・サハ780形を対象として実施され、1993年（平成5年）にはモハ781形にも実施された。モハ781形は床下機器配置の関係で客室の途中に出入台を設置せざるを得ず、新設出入台と車端部の間の2列8席が小区画として孤立する配置となった。この小区画以外の客席は出入台付近の2列を4席から2席に減らし、通路幅を確保している。
 クモハ781形は床下機器配置の関係で全車とも改造は行われず、「すずらん」用の編成ではモハ781形への改造は実施されなかった。
 初期の改造車では増設デッキ側客室に荷物置場を設置したが、後期改造車では荷物置場の代わりに座席を設置したため、1人掛席に窓のない箇所が発生している。

 外部塗色変更
 上記の出入台増設工事と同時期に塗色が変更され、「スーパーとかち」用キハ183系に準じた白地に薄紫色帯、窓回り灰色の新塗装となった。白は雪中での被視認性に難があるが、この時期すでに運転中は前照灯を常時点灯するようになっており、それらを警戒色に代わる安全対策としている。

 津軽海峡線走行試験
 本系列による津軽海峡線での走行試験が1998年（平成10年）に実施された。高速運転のデータ収集を主目的とし、成果は789系電車の設計に応用された。
 クモハ781-7 ＋ サハ780-14 ＋ モハ781-14 ＋ クハ780-7 の4両編成を供試車として、歯車比の変更を施した上で 1月16日 - 1月20日に函館駅 - 新中小国信号場間を1往復、1月20日 - 1月24日に木古内駅 - 吉岡海底駅間を2往復走行している。
 当該編成は後に「ドラえもん海底列車」に転用された。転用の詳細は別記する。

 「uシート」設置
 快速「エアポート」用の721系電車に 2000年から「uシート」を設置したのに合わせ、同区間を運転していた「ライラック」用の781系編成に「uシート」を設置した。
 対象は札幌方の先頭車クモハ781形（1 - 6）で、改装工事は2000年 - 2001年に施工された。
 客室出入台側に26席分を設定し、座席間隔は 1,050 mm に拡大されている。前位デッキとの仕切部脇に大型荷物置場が、後位側一般席との間に簡易仕切が新設され、簡易仕切上部と妻鴨居部には文字放送表示器が設置された。客室定員は52名から46名に変更されている。
 uシート車は側面の帯が赤帯、窓回りが青色の塗装に変更されている。

 側窓保護対応
 上記「uシート」設置と同時期に、運転最高速度 120 km/h 以上の特急形車両全車に対し、窓ガラス破損防止のためポリカーボネートの保護板を設置する処置を開始した。本系列も対象となり、2001年に完了した。

 「ドラえもん海底列車」改装工事
 海峡線（津軽海峡線）の快速「海峡」が2002年に廃止され、同列車の一部に設定されていた青函トンネル見学列車「ドラえもん海底列車」の代替車両として、2003年に本系列から改造された。
 L7編成とL-104編成の4両編成2本を、L7編成にL-104編成のモハ781-5+サハ781-5の2両を挿入して、6両編成1本に組替えたうえで漫画・アニメ『ドラえもん』をモチーフとしたラッピング車両に改装した。対象車両は クハ780-7 + モハ781-5 + サハ780-5 + モハ781-14 + サハ780-14 + クモハ781-7 で、組替の際に余剰となる先頭車2両（クハ780-104・クモハ781-104）は保留車とした。
 先頭車は連結器を並形自動連結器に交換、クハ780とクモハ781の愛称表示器は撤去され青函トンネル用のATC-L形とATC用速度発電機を設置した。保留車を除くクハ780形・サハ780形はパンタグラフを下枠交差式からシングルアーム式に交換した。モハ781-14 は座席を撤去して、フリースペースとした「ドラえもんカー」に改造された。
 車内案内自動放送は、ドラえもんの声で収録され、車体ラッピングはテレビアニメリニューアル後も変更されなかった。
 函館運輸所に配置され使用されたが、「ドラえもん海底列車」が2006年8月27日で運行を終了すると用途がなくなり保留車となった。先に編成組替で保留車となった先頭車2両は同年9月4日付で除籍され、本系列では初の廃車となった。本編成6両も同年中に廃車されている。

 パンタグラフ換装
 着雪による架線からの離線防止のため、JR北海道では電車のパンタグラフ換装を2004年から開始した。下枠交差式からシングルアーム式へ変更するもので、本系列ではクハ780形・サハ780形の全車に施工された。

運用の変遷 
 国鉄時代
 1978年（昭和53年）11月3日に試作車（900番台）6両編成1本が完成し、札幌運転区に配置された。翌1979年（昭和54年）3月19日から「いしかり」として運用を開始した。前シーズンの冬まで「いしかり」は雪害による間引き運用を余儀なくされたものの、試作車落成後は485系の運用に余裕ができた為冬季の計画運休は解消された。
 1980年（昭和55年）6月に量産車6両編成3本（18両）が製造され、同月中に485系を完全に置き換えた。同年10月1日に室蘭本線・千歳線（室蘭駅 - 白石駅間）の電化が完成し、本系列は6両編成4本（24両）が追加製造された。同日のダイヤ改正で「いしかり」から室蘭駅 - 札幌駅 - 旭川駅間を直通運転する「ライラック」となった。

 1986年3月のダイヤ改正では途中無停車の特急「ホワイトアロー」を 千歳空港駅（現在の南千歳駅） - 札幌駅 - 旭川駅の相互区間に設定した。本系列は中間車2両の先頭車化改造を実施し、6両編成6本+4両編成3本の体制で列車本数の増加に対応した。
 同年11月のダイヤ改正で「ライラック」は札幌駅 - 旭川駅間を1時間等間隔（14往復）とする運行体制が採られた。本系列は今回のダイヤ改正までに6両の先頭車化改造を追加実施し、6両編成はすべて4両編成化（12本）された。この体制で全車がJR北海道に承継された。

 JR発足後
 1988年3月のダイヤ改正では多客時の「ライラック」について、臨時列車の設定をせず、4両編成を2本併結した8両編成での運転を開始した。
 1990年には785系電車が製作され、同年9月より「スーパーホワイトアロー」として札幌駅 - 旭川駅間に運転を開始する。これにより、本系列による「ホワイトアロー」の運転は終了した。

 1992年の新千歳空港駅開業にともなうダイヤ改正で「ライラック」は新千歳空港駅 - 札幌駅 - 旭川駅間の「ライラック」と札幌駅 - 室蘭駅間の「すずらん」に系統分割された。「ライラック」の札幌駅 - 新千歳空港駅間では、一部の列車を快速「エアポート」として運行した。
 2002年3月のダイヤ改正で快速「エアポート」の恵庭駅停車と130 km/h運転に伴い、「ライラック」の札幌駅 - 新千歳空港駅間は785系電車の「スーパーホワイトアロー」の運転区間延長で置き換えられた。「ライラック」は旭川駅 - 札幌駅間に短縮され、本系列での「エアポート」運用は終了した。
 2003年には「ドラえもん海底列車」に使用するため、8両が札幌運転所から函館運輸所に転属した。2両は予備の車両となった。
 2005年8月2日 - 7日、2006年8月2日 - 6日には、青森ねぶた祭に合わせて臨時特急「ねぶたエクスプレス」を函館駅 - 青森駅間で運転した。函館運輸所の6両編成を充当し、東日本旅客鉄道（JR東日本）エリアに乗入れた。本州での781系による営業運転の唯一の事例である。
 2007年10月のダイヤ改正から後継の789系電車（1000番台）を導入し、「ライラック」「すずらん」の本系列での定期運用が終了した。同年10月28日のイベント列車運用を以って営業運転での使用を全て終了し、函館運輸所の「ドラえもん」編成を含め11月27日までに全車が廃車された。

:uシート改造車
太字:2扉化改造車

保存 
クハ780-2, クモハ781-2, モハ781-4, サハ780-4の車体のみが、函館市内のききょう幼稚園で静態保存（利用）されている。