国鉄415系電車
共通項目
401・403・415・421・423各系列に共通する部分について解説を行う。
塗装
先行試作車から1961年（昭和36年）落成分まではローズピンク（赤13号）を基調に、401系はクリーム1号、421系はクリーム2号で前面窓下に逆台形の警戒色が入る国鉄交直流電車の標準色とされた。加えて周波数識別用に、401系は制御車前面窓上に細帯、421系は全車の側面裾部に401系よりやや太い帯が、それぞれ前面警戒色と同色で入れられている。
1962年（昭和37年）落成分から401系は周波数識別帯を省略、421系は帯色を前面警戒色共々クリーム4号に変更、正面まで引かれるように改定された。421系の識別帯は後に省略されたことから、その後415系500番台途中製造分までの国鉄交直流電車の標準色となった。
1985年（昭和60年）にはつくば万博開催に伴うイメージアップのため常磐線用車両は1983年（昭和58年）8月から1985年（昭和60年）3月16日にかけてクリーム10号に青20号帯という新塗装へ変更された。
九州配置車は1986年（昭和61年）3月に常磐線新塗装の415系500番台が421系初期車置換え用として南福岡区への転入後、同年夏に423系は白3号と青20号、713系はクリーム10号と青20号に比較検討の塗色変更を行い、同年10月以降は帯色を若干藍色がかった青23号とし窓上に帯が入る新塗装となった。ただし、勝田区からの転入車は民営化後の1987年（昭和62年）秋頃までは常磐線塗装のままとされた。
415系
1971年（昭和46年）から製造が開始された。主変圧器のTM14形は商用周波数の50Hzと60Hz両方に対応しており直流電源を合わせて三電源に対応している。401・403系が交流50Hzのみに、421・423系が交流60Hzにのみに対応していたものを統一したグループである。0・300/100・200/500・600/700/800/1500・1600・1700・1900の番台に分かれる。
車両形式は、モハ415形、モハ414形、クモハ415形、クハ411形、クハ415形、サハ411形がある。
このうち、クハ415形の800番台と、クモハ415形、モハ414形は113系からの改造竣工車。クハ415形は、JR化後に改造もしくは設計された区分。サハ411形は、常磐線の基本編成の一部を7両編成化するために製造された形式である。
またMM'ユニットが415・414形に、クハ411形が300番台に番台区分された理由は、401・403系を411系とし、421・423系を413系として、制御車は、どちらもクハ411形に統一して、クハ401形を0番台へ、クハ421形を100番台へと改番する計画が存在したため。
100・200番台
1978年より製造された。MM'ユニット28組56両及び、クハ411形52両・サハ411形4両で計112両のグループ。4人掛クロスシートが狭く評判も悪かったため、座席幅を930→1,040mmに、間隔を1,420→1,490mmとして、従来の急行形車両並に拡大を行った。いわゆるシートピッチ改善車である。客室扉間間隔寸法と窓配置を変更されたのがこの番台の大きな特徴。4両編成7本およびMM'ユニット2組4両とサハ411形4両が勝田電車区に、4両編成14本が南福岡電車区に、4両編成5本が大分電車区へそれぞれ新製配置された。
車体構造は同時期に製造されていた113系2000番台と基本的に同一である。制御車は奇数向きがトイレ無しで100番台。偶数向きはトイレ付きで200番台となっている。CPと、出力160kVAのMGを搭載する。車内は客室荷物棚棒と、腰掛ヶ込板がステンレス化などによる無塗装化された。車体中央部の通風器は、取付位置を冷房装置から離れた位置に変更した。床下に搭載される電磁弁等やブレーキ装置を集約ユニット化。トイレの明かり窓の形状は、特急車両と同型FRP製ユニットとした。
最終増備車は、1984年にモハ415・414-127・128とサハ411-1 - 4の8両が、日立製作所笠戸事業所で製造された。本グループは、常磐線一部編成7両化ならびに将来の15両編成化を考慮されている。当初より常磐線の新塗装で落成した。そのほか、屋上の押込式通風器と、冷房装置キセ、室内化粧板が後述する500番台と同一となっている。押込式通風器はFRP製。車内の室内色はクリーム色となっており、クロスシートの腰掛モケット色は落成当初の713系電車と同様のロームブラウンを基調としたものに変更された。
サハ411形は新規に起こされた中間付随車形式のため番台区分は1-となる。またCPと出力160KVAのMGが2と4には新製時から搭載されたが、1と3はMG搭載準備工事で落成した。翌1985年の7両編成化時に搭載された。
2018年4月1日現在、JR東日本車は、全廃。JR九州車は、4両編成x19本計76両全車が車籍を有しており、配置は大分鉄道事業部大分車両センターに集約された。なお大分所属車のうち、小倉車両センターから転入した12編成はロングシートへ改造されている。
改造工事
本項目では、形式ならびに車両番号の変更を伴う改造および冷房化など大規模な工事について解説を行う。
冷房化改造
1974年以降の新製車は、非冷房車と編成を組成するため準備工事で落成したクハ411-335を除き全車冷房装置を搭載して落成した。そのため同等のサービスレベル確保の観点から、1971年（昭和46年）製の415系1次車は1977年に、403系・421系・423系は1979年から冷房改造工事が施工された。
ただし、403系は冷房化改造が施工されないまま廃車となった車両が存在するほか、401系電動車ユニットおよび同時に製造されたクハ401形のいずれも冷房改造の対象から外れ本工事は未施工で非冷房のまま廃車された。
本項目では、会社別で解説を行う。
JR東日本
403系冷房化改造工事は、分割民営化も1988年までに施工された第7編成までは国鉄時代同様にAU75形集中式冷房装置搭載で施工されたが、1989年の第9編成以降は車体構造上の都合からAU75形を搭載せざるを得ないモハ402形を除き工期短縮と経費削減の観点からAU712形集約分散式冷房装置搭載に変更された。
前照灯シールドビーム化
国鉄型電車では前照灯光源として長く白熱電球を標準採用してきた。しかし、フィラメントが後方に放つ光を反射し前方への投光量を増やすための反射板が必須で、灯具が大型かつ低照度で電球交換後は焦点調整を行わねばならないという欠点があった。このため、電球自体に反射板組み込み構造で、コンパクトかつ高照度で焦点調整不用のシールドビームが普及するにつれ、既存の白熱電球の保守性や保安性が問題となった。そこで保安性および保守性の向上を目的にシールドビーム化改造が1970年代以降順次施工された。
JR東日本2/3ドア開閉スイッチ取付
冬季特急通過待ちの際「寒い」と意見が出たため中央の1ヵ所のみ開閉できるようにした。後年、冬季や猛暑の夏季に長時間停車する駅や始発駅で使用されるようになった。
運用
2018年（平成30年）現在で車籍を有する車両は415系のみで、以下の形態で運用される。
JR東日本
国鉄時代から引き続き勝田電車区（現・勝田車両センター）に集中配置され、常磐線相馬以南ならびに水戸線で運用されていた。
車両面では415系1500番台で401系初期車を、E501系・E531系により403系を代替するなどしていたが、2007年3月17日ダイヤ改正で上野口中距離電車運用をE531系電車へ完全置換えを実施。常磐線友部 - 原ノ町間・水戸線に運用区間を短縮し、普通鋼製車は余剰となり定期運用を終了。同年3月24日には水戸 - いわき間で普通鋼製車さよなら運転を実施。2009年までに1500番台の一部を含めて全車廃車となった。残存した1500番台も2016年（平成28年）3月26日ダイヤ改正でE531系へ置換えられ運用終了し、2017年11月16日までに全車廃車となった。
JR西日本
金沢総合車両所所属の800番台が引き続き七尾線・IRいしかわ鉄道線 金沢 - 津幡 - 七尾間で運用される。
2015年（平成27年）に一部を413系へ置換え、2018年現在では2編成が廃車になっている。2020年秋頃より、521系の導入による置き換えが予定されている。