JR西日本681系電車

概要

京阪神と北陸地方を結ぶ特急「雷鳥」「スーパー雷鳥」は専ら485系が使用されてきたが、高速道路網の整備が進み、所要時間の短縮とより高いサービスが提供ができるように製造されたのが本系列である。九州旅客鉄道（JR九州）の783系「ハイパーサルーン」を嚆矢として、国鉄分割民営化後に続々と新形特急車両を導入する中でJR西日本は最後発となったが、1992年7月に量産先行試作編成が登場した。
投入当時、既に485系「雷鳥」「スーパー雷鳥」は踏切のない湖西線および北陸トンネル内にて600m条項の特認を受け130km/hでの営業運転を実施していたが、本系列ではブレーキ性能の向上をはかり踏切のある区間においても130km/h運転を目指した。さらに将来的には踏切のない湖西線および北陸トンネル内での160km/h運転にも対応できる性能としている。なお同区間での160km/h運転は2015年3月現在も実現していないが、1997年から本系列が投入されたほくほく線において130km/h超での営業運転が開始され、最終的に本系列の性能を活かして160km/h運転が実現した。
JR西日本の車両は川崎重工業・近畿車輛・日立製作所、北越急行の車両は新潟鐵工所の4社が製造した。1997年までにJR西日本・北越急行の両社合計で102両を新製し、その後の増備はコストダウンと性能向上を図った683系に移行した。

番台区分

主に新造時について詳述する。改造などによる変更点は改造の節で詳述する。

先行試作車

量産に先立って製造された先行試作車は、1992年に9両が製作された。当時北陸本線を走行していた485系特急「雷鳥」「スーパー雷鳥」と同程度の輸送力を確保しつつグリーン車の向きを合わせることから、富山寄りにグリーン車を連結した9両貫通編成とされた。
量産移行後は仕様を統一する量産化改造がなされて量産車と共通運用が組まれている。
また、先行試作車については2015年3月のダイヤ改正以後の運用に余裕が出来次第、整備面からの都合により廃車の方向で検討していたが、付属編成のV01編成は同年9月9日付で廃車され、本系列の廃車第1号となった。

車体（先行試作車）

車体は普通鋼製を基本とし、軽量化の観点から強度が必要な個所に関しては高耐候性圧延鋼材、屋根板および床板には腐食を考慮してステンレス鋼を使用している。列車の分割併合を前提としない非貫通型運転台とし、前頭部は大型曲面1枚ガラスの流線形とした。先頭部の密着連結器も格納式とすることによりスカートも一体形状にでき、スピード感あふれる形状とした。側面窓は連続窓構造である。
車体長は21,160/20,600mm（先頭車/中間車）、車体幅は2,915mm、車体高は3,550mmである。床面高さは485系比75mm低い1,160mmとし、ホームとの段差を小さくしている。車体断面は、腰部の曲線を半径500mmと小さくし、腰部より上は3度の傾斜で立ち上げている。肩部は直線に近い形状とし、その上部に段差をつけて雨樋としている。
安定した高速度走行と曲線通過性能の向上を目指した低重心設計が施されており、曲線通過性能は半径600m未満で本則+15 km/h、600m以上700m未満で本則+20 km/h、半径700m以上で本則+25 km/hである。
列車種別・行先表示器は221系以来の標準である、列車種別表示部が字幕式、行先表示部はLED式となっている。

走行装置（先行試作車）

M車（電動車）にVVVFインバータ、Tp車（付随車） に集電装置・変圧器・整流器といった交流機器、T車（付随車）に空気圧縮機・補助電源装置といった補機類を分散搭載した M - Tp - T の3両1ユニット構成とした。そして、編成全体でのMT比を1M2Tとすることで編成の自由度を高めることを狙った。床下機器は機器間にふさぎ板を取り付けることで平滑化を推進し、着雪障害の防止を図っている。
在来線電車では、207系に次いで2例目となるVVVFインバータ制御の採用となった。VVVFインバータ (WPC3) はGTOサイリスタ素子を使用した PWM インバータである。冗長性の向上や軸単位での制御による細かな制御を狙い、インバータ1基で1台の主電動機を制御する 1C1M 制御方式が採用されている。1群ごとにインバータユニットは別箱に収納されており、枕木方向に機器を配置している点が特徴である。主電動機は、1時間定格出力190kWのかご形三相誘導電動機 WMT101 を電動車両1両あたり4基搭載する。主整流器はサイリスタブリッジを2段直列接続方式とした WRS100 が使用される。なお、主電動機は後年683系と同じ1時間定格出力245kWのWMT105に換装されている。
主変圧器は外鉄形密封方式の WTM25 を搭載する。485系に比べて大幅な軽量化を図り、定格容量は1,295kVA、主回路用の二次巻線は1,150kVA、補助電源回路用の三次巻線は145kVAの定格容量を備える。
補助電源装置は、207系で実績のあるGTO二重チョッパ+パワートランジスタインバータで構成された静止形インバータ WSC22 （定格容量150kVA）を採用する。交直流電車であることから、入力側の交流対応を行ったほか、保護回路動作時の自動リセットや運転台からの電源誘導を可能とした。空気圧縮機は、先頭車両（クロ681-1およびクハ680-1）往復単動2段式水平対向4気筒である WMH3096-WTC1500 が、中間車両（サハ681-1）には スクリュー式である WRC1600X が搭載されている。
デッドセクション通過時は運転席の交直切替スイッチを操作することで主回路が切り替わる。車内照明は直流電源方式で、デッドセクション通過時には蓄電池からの供給に切り替わるため、基本的に消灯しない。また、離線などでの静止形インバータ停止に備え、無停電電源装置を搭載する。
集電装置は、221系や207系と同様に下枠交差式パンタグラフ (WPS27C) が採用され、サハ680形後位寄りに1基搭載される。バネ上昇空気下降式で、微動すり板を採用することで離線の減少を図っている。

台車（先行試作車）

台車は、ボルスタレス台車 WDT300（電動車両）・WTR300（付随台車）で、車輪径は860mm、軸距は2,100mmである。軸箱支持方式は、JR西日本で初めてとなる軸梁式となり、軸箱と台車枠との間には軸ばねのほかに軸ダンパが装備されている。軽量化の観点から、台車枠横梁内部を空気ばねの補助空気室とし、軸受は複列円錐ころ軸受を採用する。160 km/h走行に対応するために基礎ブレーキ装置が強化されており、対向式油圧キャリパ式車輪ディスクブレーキによって車輪踏面への熱影響を防止し、踏面清掃装置によって粘着力の向上を図っている。牽引装置はZリンク式とし、高速走行時の安定性を確保するため、ヨーダンパとアンチローリング装置を採用する。歯車比は5.22である。

接客設備（先行試作車）

普通車の座席は2人掛けの回転リクライニングシートで、座席間隔は485系の910 mm より拡大した 970 mm である。グリーン車クロ681形の座席は1人掛けおよび2人掛けの回転リクライニングシートで、座席間隔は 1,160 mm である。客室天井は中央部と側部で高さを変え、段差部分に間接照明を設けた。
トイレ・洗面所は1両置きとし、偶数号車の前位に設置している。男子用小便器・洋式大便器・洗面所の他、6号車（サハ680-201）には身障者対応とし車椅子でも使用できるようにした。隣接する7号車（モハ681-201）後位寄りには車掌室を設けた。
空調機器は、低重心化の観点から圧縮機とエバポレーターを分離したセパレート方式の WAU302 が1両あたり2基搭載されている。冷房能力は1両あたり36,000kcal/hである。

車体（量産車）

車体断面形状などの外観は基本的に先行試作車に準じたものとなるが、非貫通運転台側窓が三角形から前方へ伸びる部分を切り落としたような形の台形に近い四角形に変更されている。
また、大阪 - 富山間で運行される「スーパー雷鳥」のうち3往復を金沢で分割併合し、基本編成（6両編成）が七尾線に乗り入れすることとなったため、基本編成（6両編成）にグリーン車が連結されるよう、クロ681形の連結位置を富山寄りから大阪寄りに変更した。また、6両+3両への編成分割および併合時の通り抜けができるよう、貫通型運転台を備える車両も落成した。貫通型前頭部は美観確保の観点から幌を収納式とし、幌内側には化粧板を備えて防音性を確保している。
0番台の車体色は■グレー・■ブルー・□ホワイトで、「サンダーバード」編成には「THUNDERBIRD」（2001年までは「Super Raicho THUNDERBIRD」）、「はくたか」編成には「Hakutaka WHITE WING」のロゴステッカーを貼付している。2000番台は、北越急行の独自性を表すために0番台と異なった車体色が採用され、□フロスティホワイトをベースに■クリムゾンと■アクアブルーの帯を配し、Snow Rabbit Expressのロゴステッカーが貼り付けられている。2015年3月14日ダイヤ改正で「はくたか」編成を中心に「しらさぎ」に転用されたが、その編成は側面に■オレンジと■ブルーの細帯が配されている。ただし、「SHIRASAGI」のロゴステッカーは貼付していない。
各乗降扉の横には、LED式の号車番号表示と座席種別表示器が設置されている。

走行装置（量産車）

機器の小型化など技術進歩により、M - Tp の2両1ユニットと、動力関係機器の搭載のない純然たる付随車に改め編成の自由度を大きくした。これにより、M車は直流電車と機器の共通化が容易となるとともに重量物を集中配置して粘着性能を確保している。Tp車には交直流機器を配置し、保守上も特高圧機器と高低圧機器の混在によるトラブル防止のメリットがある。それに加えて、ユニットを組まない付随車 (T) を組み込むことで編成を構成している。
主変圧器は強制風冷式である WTM26 を採用する。80 km/h以上での走行性能向上に伴い、先行試作車と比べて定格容量が1,400kVAに増強されている。
主整流器はサイリスタ位相制御コンバータ WRS103 が使用され、VVVFインバータはGTOサイリスタ素子を使用した PWM インバータ WPC6 である。インバータ1基で1台のかご形三相誘導電動機を制御する 1C1M 制御方式が採用されており、同時期に落成した223系0番台などに倣って、保守点検の容易化および操作性向上の観点から1車分4群のインバータ装置を1箱に集約する。
補助電源装置は、GTO二重チョッパ+IGBT3レベルインバータで構成された静止形インバータ WSC33（定格容量150kVA）を採用する。低騒音化、メンテナンスフリー化を図るとともに、インバータ素子をパワートランジスタ（先行試作車）から変更することで定格容量に変化はないが、制御応答性を向上させた。空気圧縮機は、往復単動2段式水平対向4気筒である WMH3096-WTC1500 を搭載する。
集電装置は、先行試作車と同じく下枠交差式パンタグラフ WPS27C が採用されているが、搭載位置はサハ680形・クハ680形前位寄りに変更されている。
主電動機は、高速領域での性能向上のために容量をアップした、1時間定格容量220kWのかご型三相誘導電動機 WMT103 を電動車両1両あたり4基搭載する。
台車の基本的構造は先行試作車に準じるが、牽引装置を一本リンク式に変更している。また、付随台車（WTR300）の基礎ブレーキ装置を高速化対応の観点から1軸2枚のディスクブレーキ+踏面ブレーキとした。

接客設備（量産車）

トイレ・洗面所は増設され、3両に2両の割合（編成中の付随車）となった。そのうち編成中の1か所は車椅子に対応したものである。客室両端には、8色プラズマディスプレイ式の車内案内表示装置が設置されている（のちに683系0番台と同様の3色LEDに交換されている）。
普通車の座席は通路を挟んで横2列+2列で配置されており、肘掛内蔵テーブルや、シートバックテーブルが備えられたリクライニングシートである。シートピッチは970mmで、座席モケットの色は、奇数号車はサーモンピンク、偶数号車はグレーブルーと分けられている。
グリーン車の座席は通路を挟んで横2列+1列でリクライニングシートが配置されている。シートピッチは1,160mmで、肘掛内蔵テーブルやフットレストが備えられている。
空調機器は、集中式の WAU704 1基搭載を基本としているが、ユニットを組まずに交流関係の機器を搭載しない車両（クロ681形・クハ681形・サハ681形）には圧縮機とエバポレーターを分離したセパレート方式の WAU303 が2基搭載されている。冷房能力は1両あたり36,000kcal/hと共通である。

最高速度向上試験

当系列は北越急行ほくほく線にて最高速度160km/hの営業運転を実現しているが、JR西日本区間においても130km/hを越える速度での営業運転に向けた速度向上試験が行われている。ただし2015年2月現在において、ほくほく線以外で当系列による130km/hを超える速度での営業運転は実現していない。

160km/h走行試験

踏切が介在しない湖西線および北陸トンネル内を対象とした160km/h化を実現すべく、速度向上試験を重ねた。1992年10月から11月にかけては、主に当系列の基本性能確認を目的とし、湖西線と北陸トンネル内で160km/h走行試験を実施している。この試験では160km/h走行時の騒音・振動などの沿線環境、駅部におけるホーム風、軌道強度や架線性能、ATS-Pの応答性についても問題ないことを確認した。1997年から1998年にかけては、トンネル内と明かり区間におけるすれ違い時に車両が受ける影響を調査すべく試験を行った。試験条件は当系列9両編成（160 km/h走行）同士と、当系列6両編成（160 km/h走行）と207系電車（120 km/h走行・停車）、同じく113系電車（110 km/h走行・停車）である。いずれも湖西線のトンネル内と明かり区間において試験を行い、問題がないことが確認した。

140km/h走行試験

踏切の介在する区間において140km/h運転を実現すべく、ブレーキ性能の向上に取り組んだ。1997年から1998年にかけ湖西線で試験を実施し、当系列の試験車両6両編成は基礎ブレーキ装置のブレーキ力を30%アップさせた上、鉄道総合技術研究所（鉄道総研）にて開発された新滑走制御方法を適用した。この試験では、湿潤条件においても非常制動距離600m以内で余裕をもって停止できることが確認された。同時に、140 km/h走行時におけるATS-SWの応答性についても問題がないことを確認した。

車両配置と運用線区

2016年10月1日現在の車両配置および2015年3月14日現在の運用範囲を以下に示す。

北越急行（2015年3月13日まで）

1997年3月22日ダイヤ改正で登場した特急「はくたか」に充当するために1996年8月から12月にかけて2000番台基本編成2本（N01・N02編成）、付属編成2本（N11・N12編成）の合計18両が新製配置された。
N01+N11編成が落成し、ほくほく線設備が完成した1996年9月からは基本編成から付随車1両を抜いた2M3T編成を用いての高速試験走行が行われた。その行程の中で、「ほくほく線」開業をPRする目的で翌1997年1月11日に新潟駅で681系展示会が行われた。前述したように同年3月22日から「はくたか」として営業運転を開始し、北越急行六日町運輸区に書類上の車籍を置いたが、車両の管理はJR西日本に委託しており、金沢総合車両所に管理受託扱いで所属。効率の良い運用を行うために予備編成をJR車と共通とした。
2005年3月1日のダイヤ改正からは、和倉温泉駅乗り入れに関する運用の関係上、基本編成と付属編成の組み合わせがランダムとなり、塗装の異なる編成が連結して運用されることも多くなった。北越急行への使用車両に関する問い合わせが多いことから、編成運用計画一覧が北越急行公式ウェブサイトで公開されていた。
2015年3月14日の北陸新幹線開業に伴う特急「はくたか」の廃止により、18両すべてが同日付でJR西日本に譲渡され、引き続き金沢総合車両所に所属。現在はこの基本編成・付属編成ともに、「しらさぎ」に転用されており、W編成と同様の塗装に変更されている。
なお、私鉄・第三セクター所属車両がJR車籍に編入されるのは東京臨海高速鉄道70-000形電車 → 209系3100番台・高千穂鉄道TR-400形気動車 → キハ125形400番台に次いで3例目となる。

今後の予定

2024年度以降、新型車両に置き換えられる計画がある。