JR西日本681系電車
681系電車（681けいでんしゃ）は、西日本旅客鉄道（JR西日本）が導入した交直両用特急形車両である。先行試作車は1992年に、量産車は1995年に登場した。1997年には北越急行でも導入され、2015年まで運用しJR西日本へ売却された。
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。
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。
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。
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。
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。
基本的に、客室+出入り台を備えた車両を0番台、便所・洗面所を備えた車両を100番台、その他設備を有している車両を200番台として車両番号を区分している。すべて落成時の車両番号であり、量産化工事によって1000番台に改番されているため2014年現在での量産車との番号の重複はない。
量産車は1995年 - 1997年に93両が製作された。JR西日本が発注した0番台（75両）および北越急行が発注した2000番台（18両）が該当する。
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。
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。
連結器は、中間連結部は半永久連結器を、先頭車両前頭部は密着連結器を使用する。非貫通型の場合は非常時のみ使用することから格納式とし、貫通型は増解結作業の容易化のために、電気連結器・自動解結装置付き密着連結器とした。
保安装置は、新製当初はATS-SWのみを搭載し、ATS-Pは車上装置など（ATS-P2）を搭載した準備工事状態であった。
ほくほく線での160km/h走行に対応した編成を識別するため、「はくたか」用編成にはトランスポンダを搭載することで高速信号現示（GG信号）ができるようになっている。
また、ほくほく線内における単線のトンネルを高速で通過する際に発生するいわゆる「耳ツン」状態を防止するために気密性を高くする工事が施工されている。
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。
2002年12月から2004年7月にかけて、当時金沢総合車両所に所属していた「サンダーバード」用車両39両（T01 - T03・T06・T11 - T13・T15・T17編成）に対して、683系との車内設備統一を図る目的で改造が施工された。この改造により、新たに以下の番台区分の車両が発生した。
2015年1月28日に、681・683系の一部車両に対してリニューアル工事が行われることがJR西日本より発表された。同年秋頃から2018年度末までに683系とあわせて計177両にリニューアルが順次施工される予定。
本系列においては京都所属のV11編成（3両編成）にリニューアル工事が施工され、2018年7月13日より運用復帰している。
リニューアル内容は以下の通り。なお先行試作車（1000番台）は施工対象外であり、整備面における都合もあって前述の通り運用に余裕ができた時点で廃車予定とされている。
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。
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。
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。
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。
0番台3両編成8本（T11、T12、T14、W11 -W15編成）、0番台6両編成8本（W01 - W08編成）、2000番台3両編成2本（N11・12編成）、2000番台6両編成2本（N01・02編成）の合計90両が配置されている。
T編成は「サンダーバード」で運用される数少ない681系であり、683系R編成（R10 - R13編成）と共用で特急「サンダーバード」の増結用編成などとして運用されている。
W編成と北越急行から移籍したN編成は特急「しらさぎ」16往復（名古屋・米原駅 - 金沢駅間）、特急「ダイナスター」1往復（福井駅 - 金沢駅間）、特急「おはようエクスプレス」（福井→金沢・金沢→福井）、特急「能登かがり火」3往復（金沢駅 - 和倉温泉駅）と「ホームライナー」4往復（名古屋駅 → 大垣駅）で運用されている。「しらさぎ」のうち、米原以北（北陸本線）で付属編成を連結した9両で運転されることもある。2015年3月14日ダイヤ改正以前は特急「はくたか」（福井・金沢・和倉温泉 - 越後湯沢間）および、特急「おはようエクスプレス」のうち泊 - 金沢間で運行する列車で運用されていた。
1992年7月28日に落成した先行試作車は、金沢運転所に新製配置された。試験走行の後、同年12月26日の臨時「雷鳥」85・90号から運用を開始した。
1995年4月20日ダイヤ改正で「スーパー雷鳥（サンダーバード）」の運転を開始するために、1995年2月から3月にかけて基本編成6本（T01 - T06編成）、付属編成7本（T11 - T17編成）の合計57両が落成した。先行試作車を含めて「スーパー雷鳥（サンダーバード）」8往復に充当され、区間130km/h運転の実施により、最速所要時間の短縮を図った。また、ダイヤ改正にあわせて同月25日から「スーパー雷鳥宇奈月」「スーパー雷鳥立山」として富山地方鉄道宇奈月温泉駅・立山駅まで付属編成が乗り入れを開始した。臨時列車としては、北陸本線・信越本線を経由する「スーパー雷鳥信越（サンダーバード）」が大阪 - 長野間1往復のほか、臨時「スーパー雷鳥（サンダーバード）」88号が大阪 → 神戸で延長運転された。
1997年3月22日ダイヤ改正では、列車名称を「サンダーバード」に改称した。運行本数は8往復で現状維持である。また、同日に開業した北越急行ほくほく線経由で特急「はくたか」が運転を開始し、停車駅の少ない速達列車を中心に最高速度140km/h（青函トンネル区間と同じ）で運行を開始した。同列車に充当するために1997年2月から3月にかけて基本編成2本（W01・W02編成）、付属編成2本（W11・W12編成）の合計18両が新製配置された。なお、同日付の組織改正により、金沢運転所は松任工場と統合の上、金沢総合車両所となった。この新製配置をもって681系の増備は終了した。
1998年11月に行われた「はくたか」編成の要部検査において、140 km/h走行による車体へのストレスによる異常は見られなかったことから、12月8日ダイヤ改正ではほくほく線区間での「はくたか」の最高速度は150km/hに向上した。
2001年3月3日ダイヤ改正では、「スーパー雷鳥」の廃止と「サンダーバード」の増発（15往復）が行われた。「サンダーバード」用の683系36両（6両編成4本、3両編成4本）が新製投入され、富山・和倉温泉発着列車のすべてが「サンダーバード」となった。
「はくたか」に残る485系（JR西日本車）の置き換えは681系では行われず、683系の増備でもって行われることとなった。しかし、「はくたか」運用に683系を直接投入する手段はとられなかった。2001年12月から2002年2月にかけて「サンダーバード」用に683系18両（6両編成2本、3両編成2本）が増備された。それによって余裕が出た18両（T04・T05編成→W03・W04編成、T14・T16編成 → W13・W14編成）を「はくたか」に転用し、同列車で運用されていた金沢総合車両所の485系が置き換えられ、2002年3月22日ダイヤ改正以降、JR西日本が担当する「はくたか」運用は681系に統一された。この改正前に行われた「はくたか」編成の全般検査において車体に大きな異常がなかったことから、ほくほく線区間での「はくたか」の最高速度は160km/hに向上した。
2009年2月から、「サンダーバード」用として683系4000番台が108両（9両編成12本）新製配置された。これによって、2009年6月には9両（T06・T17編成 → W05・W15編成）が増発用として「はくたか」に転用され、同年7月から2011年3月にかけて36両（T07・T01 - T03編成 → W01・W11 - W13編成、T18・T15・T12・T13編成 → V01・V11 - V13編成）を京都総合運転所に転出させている。683系54両とともに485系「雷鳥」置き換えを名目としている。683系4000番台の増備に伴う転用によって徐々に運用を減らしていき、2010年3月13日ダイヤ改正以降では「サンダーバード」3往復で683系と共通運用されるまで縮小した、2011年3月12日ダイヤ改正以降、「サンダーバード」用としては増結用として運用されるにとどまり、「はくたか」での運用がほとんどとなっている。
2015年3月14日ダイヤ改正では、北陸新幹線金沢開業に伴い在来線特急「はくたか」と「サンダーバード」富山・魚津方面への乗り入れが廃止された。これによって、81両（6両編成9本、3両編成9本）が捻出されたことに加え、北越急行が所有する681系・683系27両（6両編成3本、3両編成3本）が譲渡された。捻出された108両のうち、90両（6両編成11本、3両編成8本）は「しらさぎ」に、9両（3両編成3本）は「サンダーバード」増結用に、9両（6両編成1本、3両編成1本。ともに先行試作車。）は予備とされた。ダイヤ改正前である同年2月から、塗装を「しらさぎ」色に変更した「はくたか」編成が登場している。
2012年6月1日付の組織改正に伴い、京都総合運転所から改称された。
0番台3両編成1本（V11編成）、1000番台6両編成1本（W01編成）の合計9両が配置されている。
同所に所属の683系と共通運用で、特急「サンダーバード」7往復（大阪 - 金沢・和倉温泉間）、特急「ダイナスター」2往復（福井 - 金沢）、特急「能登かがり火」2往復（金沢 - 和倉温泉）で運用されている。
金沢総合車両所に683系4000番台が新製配置され、それに押し出される形で2009年10月1日付で9両が転入した。485系「雷鳥」の置き換え名目としており、2009年10月1日ダイヤ改正より、同時に転入した683系0番台と共通で「サンダーバード」3往復で運用を開始した。
683系4000番台の増備による金沢所からの転入により順次運用を拡大し、2010年3月13日ダイヤ改正では「サンダーバード」7往復で運用された。2011年3月12日付で転属した車両をもって金沢所から本運転所への転入を終了し、同日ダイヤ改正では1往復だけ残った「雷鳥」を置き換え、「サンダーバード」8往復と「びわこエクスプレス」1往復で運用されていた。
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。
過去には富山地方鉄道線直通の『サンダーバード宇奈月・立山』として同社本線宇奈月温泉駅や立山線立山駅まで乗り入れていた。また、冬季には『シュプール号』として信越本線長野駅まで乗り入れた実績がある。他にも、長岡まつり開催に伴う団体臨時列車で回送列車として新潟駅まで乗り入れたほか、電化後の小浜線や山陰本線、試運転で北近畿タンゴ鉄道宮福線にも乗り入れたことがある。
2024年度以降、新型車両に置き換えられる予定である。