鉄道の電化

鉄道の電化とは、鉄道の動力を電気にすることである。

1. 概要
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電化された路線では、動力に電気を使用する電気機関車や電車が用いられる。そのため、燃料や水を車両に積載する必要がない。電化方式は世界でいくつかの種類が存在する。

鉄道において電気動力は、蒸気機関や内燃機関に比べエネルギー効率で優れ、速度向上や快適性の向上といった輸送サービスの改善にも向くが、地上側に数々の電気設備が必要となり、それらの障害による停電には弱い。

2. 方式
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車両の外から電気を取り入れるものが一般的で、車両の外から電気を送ることを「饋電」と呼び、車両側でその電気を取り入れることを「集電」と呼ぶ。集電方式は架空電車線方式と第三軌条方式の2つに大別される。また、電源の電流は直流を用いるものと交流を用いるものの2種類に分かれる。なお、車両に蓄電池などの電源を搭載するものや、ケーブルカー・超電導リニアのような車両側に走行用の電力が不要なものも存在する。

外部から取り入れた電力は、主電動機の種類に応じて車両内で変換した上で使用される。

2.1. 直流饋電・交流饋電
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直流饋電 長所
複数の鉄道変電所から同時に並列して給電できるので、事故や工事などでも冗長性がある。
最近まで主流であった直流整流子電動機がそのまま使用できた。 短所
車両側で変圧するには向かないので、電動機の電圧に合わせることが求められるため、高電圧／小電流にはできず、低電圧／大電流では送電ロスが大きくなる。また、送電ロスを減らすために鉄道変電所を多く設ける必要がある。
大電力を供給できないので、高速鉄道や重貨物列車を走らせる路線には不向き。
直流に変換する鉄道変電所は機器が割高になる。 交流饋電 長所
変圧器を用いて、主電動機に加える電圧を容易にロス無く制御できる。
高電圧／小電流にできるので送電ロスが少なく、大電力が供給でき変電所も少なくてすむ。 短所
直接饋電方式という単純な交流饋電では、電線からの電磁波によって周囲の通信線へ障害を及ぼす「通信誘導障害」と呼ばれる現象が起きやすい。BT饋電やAT饋電などの工夫が行われる。
車両に搭載する機器のコストが高額となりやすい。すでに直流電化が普及している地域では、交直接続などの維持コストも必要となり、高額となる。そのため直流電化が普及した地域での部分的な交流電化は、全て直流化した時よりも総コストは大きくなる傾向にある。

3. 歴史
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元々鉄道は人力もしくは馬力を使ったトロッコのようなものから始まり、その後蒸気機関車の開発などもあったが、電気鉄道は1879年にドイツのジーメンスがベルリン博覧会で軌間490mm・総距離300mほどの小さな線路に外部集電で電気を取る機関車を走らせたのが始まりとされる。こうした見世物的ではない電車営業運転は、1881年のドイツのベルリンにおける路面電車が最初であったといわれる。

1879年：ドイツのシーメンス社がベルリン工業博覧会において試作した電気機関車を披露した。
1881年：ドイツのベルリン郊外で世界初の電車の営業運転が開始された。なお、この頃は振動する電車の車輪にモーターの歯車が外れないように動力を伝達できず、ベルトで回転を伝えていた。
1882年8月：イギリスの電気技師マグナス・フォルクによって世界初の電気鉄道フォルクズ電気鉄道がイギリスの保養地であるブライトンの森で開通した。軌間2ftで路線も短く、全長約400mであった。なお、電圧は160V2線式で電車はベルト駆動。その後1884年4月に825mmに改軌され、路線も1820ｍにまで延長された。
1883年10月：オーストリアのウィーンで世界初の架線集電によるModling and Hinterbruhl路面電車が運行を開始した。
1888年：米国人フランク・スプレイグがこれ以前に考案した架線から集電できるトロリーポールと電動機を床下に備え歯車でずれずに伝達できる吊り掛け駆動方式を使った路面電車をリッチモンドで走らせた
1890年：上野公園で開かれた第3回内国勧業博覧会で日本初の電車の運転が披露された。同年シティ・アンド・サウス・ロンドン鉄道で世界初の地下鉄の電化が行われるが当時は機関車牽引だった。
1895年：京都で日本初の電車による営業運転が開始された。同年、アメリカのボルチモア・アンド・オハイオ鉄道で電気機関車が3両作成され、ハワードストリートの1マイル以上ある急勾配トンネルに使用された、なおこれが幹線の蒸気鉄道初の電化に成るが、電化区間はこのトンネルの部分のみでここを蒸気機関車ごと牽引した。
1897年：イタリアで蓄厚器・650V第三軌条・3000V15Hz三相交流という送電システムを比較し、3000V15Hz三相交流が安全性などから一番優れているとされた。後に1906年にシンプロントンネルでこの方式を採用。
1899年：スイスのブルグドルフ－トゥーン鉄道の山岳線で世界初の交流電化の営業が開始。
1905年：スイスのエーリコン社で単相交流が開発。
1911年：日本で碓氷峠が電化された。
1913年：スイスでベルン-レッチュベルク-シンプロン鉄道が単相交流で1万5千ボルトの高圧による電化に成功。
1915年：アメリカのシカゴ・ミルウォーキー鉄道において直流3000V電化が開始され、1927年までこの方式で区間を広げ当時世界一長大な電化区間となる。
1922年：イタリアが直流3000Vを標準方式に置き換え、三相交流方式の新規電化を停止。
1923年：ハンガリーのブダペスト西駅 - ブダケスィ・アラグ駅間で16kV50Hzの商用周波数による単相交流を使う「相変換式交流電気機関車」の試験運行が開始。
1932年：1923年からの実験後ハンガリーのブダペスト- コマロン駅間で16kV50Hzによる「営業運転」が開始。
1935年：ドイツ南部のヘレンタール線の一部でそれぞれ交流整流子電動機と水銀整流器＋直流電動機を使った電気機関車を比較し、交流2万V50Hzの研究を開始、商用単相交流饋電方式の基盤構築。第二次世界大戦後、フランスがこれらの機関車と設備を接収して国内の交流電化を進める。交流電化ではBT饋電方式からAT饋電方式が主流になる。

4. 各国の事例
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電化は当初どこでも大都市の交通としての路面電車や地下鉄に採用されており、電気方式は600V直流を送電して軌道の上に架線を設けるか軌道の片側に第3レールを設けるのが一般的だった。このように輸送機関に対する電気の応用は良い成績を示したので次に汽車の電化が問題となるに至った。

20世紀初頭になるとそれまで路面電車に使用されていた500-600Vよりはるかに高圧の交流電流が商用に供給されるようになったが、こうした交流送電における一般の電力の50～60Hzは機関車の電動機に使いにくかったので、路面電車などで行われた「電流を変換し直流で使用する」か、3000V15Hzという「比較的電動機に使いやすい低周波数の三相交流を使う」案が生まれたものの、三相交流による交差点の架線複雑化や三相交流電動機が使いにくいが懸念され、ここから交流送電はのちにイタリアで見られる「それでも三相交流低周波数を使う」かスイスで新しく見られた「はるかに高電圧の単相交流を使う」という2案に分かれ、高電圧単相交流はその後ドイツやオーストリアにも普及した。しかしこの単相交流は駆動用に適した交流整流子電動機には商用周波数では整流が困難であったため低周波数の交流を使う必要性があり、このため他と融通の利かない鉄道独自の電源が必要になるという問題があった。

1910年頃までには各国で汽車の電化計画が盛んになったが、煙害根絶目的のために電化したごく一部の地域を除き「石炭の輸入もしくは移入を抑えるため水力などでも得られる電力で鉄道を走らせる」という経済的な目的で始めたので、まず周到に採算性の計算を行った所、この時は大半の国で否定的な結論が出ており、後に電化大国になるスイスなどでも1912年の調査報告で「いずれの線路でももっと運輸量が増加して施設の利用率が良くなるまでは、電化が利益になる路線はない。」と結論を下している。他のヨーロッパ諸国で電化されたのは元々石炭がルール地方から移入して高価だったバイエルンの山間部やプロイセンのデッソーからビッターフェルトの試験的な電化区間、スウェーデンの北部線などごくわずかであった。

こうした「長距離鉄道の電化は経済的でない」とされた理由には、朝倉希一によると以下のような理由があげられている。

電力は備蓄できないので、多忙期と閑散期で輸送量が激しく変動する鉄道では電力消費量が大きく変わり、電力荷重として好ましくない。
さらに通常の電力として使われる三相交流は架線が2本必要なので複雑化するので、単相交流を使いたいがこれでは特別の発電所が必要で他と融通がない。
電気機関車の構造について信用が十分ではない。
都市近郊なら列車の加速度や列車単位増大による輸送量増加を見込めるが、長距離鉄道ではそこまで増発が見込めない。一方、アメリカでは私鉄各自の判断で大規模な電化に踏み切った物もあり、長距離鉄道の送電に単相交流方式の他に直流高圧の送電方式も選ばれ、1913年にこの直流3000V電化方式に成功したシカゴ・ミルウォーキー鉄道は1917年からシカゴからロッキー山脈やシエラネバダ山脈を越える710㎞近くにも及ぶ電化区間を設置し、1920年には太平洋岸の350㎞の電化も済ませ、こうした電化で煙からの解放の他に運転時間の20%短縮や回生ブレーキによる山越えのエネルギー回収というメリットもあったものの、運転費そのものは蒸気機関車時代の方が安く済んでいたと判明した。その後、アメリカ合衆国ではミルウォーキー鉄道のような長距離電化はあまり考えられず、電化区間ごとに機関車をつけ変えていては大変なので、直通できる電気式ディーゼル機関車牽引で通しで走るようになった。
一方、アメリカ以外の各国で鉄道の電化が盛んになったのはスイスやイタリアなどを除くと1945年以後で、オランダのようなほとんど鉄道が壊滅した国では戦争で破壊されたシステムの復旧が必要で、他の国でも自国産の動力源を使いたいと考えていたことで電化が大きなうねりとなった。

ヨーロッパでは元々電化が進んでいたイタリアでは戦前から前述の3000V直流饋電を採用して三相交流から徐々に切り替えていたが、戦後、残存三相交流路線を直流3000Vに交換して電化の統一を行うことに決定し、これによってまず戦火にやられた路線が補修時に直流に変更され、次いでモダーヌ－トリノ－ジェノヴァ線、ジェノヴァ - ヴェンティミーリア線、ジェノヴァ－ヴォゲーラ線、ボルツァーノ－ブレンネロ線などが1960年代までに変更された。最後まで三相交流方式が残ったのはピエモンテ州南部の地方路線で1970年代半ばだった。

ドイツは戦争の痛手が大きく、東西分裂などの悪影響もあったが、それでも戦前通り単相交流15000V 16・2/3Hzによる電化を広げていった。

イギリスは自国内に大きな炭鉱があることもあって電化の経済的メリットが薄く、大都市周辺と南部に電化区間が集中し、全体ではしばらく蒸気機関車の時代が続いた後、1955年にディーゼル機関車による動力近代化計画を発表した。

フランスはパリ－リヨン線を1946年に直流1500V電化を行って同国南部の路線にも拡大したが、25000V 50Hz電化も検討し始め、1951年のエクスレバン－ラロシュ・シュル・フォロン間48マイルを試験的に電化し、水銀整流器と直流電動機の組み合わせた機関車が成功し、南部より電化が遅れたフランス北部はこの方式で電化された。世界的に交流電化が広がるきっかけになったのは、この単相商用交流饋電の成功からで、その後全域とまではいかなくとも新規幹線にこれを採用した国がコンゴ、ポルトガル、インド、イギリス、ソ連、ハンガリー、中国と次々に現れた。

4.1. 日本国外の例
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thumb|250px|right|ヨーロッパの電化方式のおおまかな範囲はこのようになる #cdcfd0

国によって電化の時期や経緯が異なるので電圧や周波数もバラバラであり、ヨーロッパを例にとると第二次世界大戦前はフランス・オランダ・イギリスは直流1500V、ドイツとスカンディナビア諸国は単相交流1万5千V16.67Hz、イタリア・ロシア・スペインは直流3000Vを使用し、いずれも専用の発電所から送電していることが多かったが、1970年代になると1920年代から研究されていた50Hzの単相交流という一般の商用周波数を用いた饋電が広がり、イギリス・フランス・トルコ・日本などで新たな電化路線に使用されたが古い方式を残す路線も多かったので場所によっては電気車は3種類または4種類の電力を使える必要が生じたものもあった。

電化区間自体も国策や資源事情、産業の動向などにより、各国での電化率には偏りが見られる。スイス、オランダといった国々が90%を越えるほか、ドイツやフランス、ロシアなどのヨーロッパ諸国や、中国、韓国、日本などの東アジア諸国は50%を越える。北米大陸やオセアニア、東南アジアなどは電化率が低い。 スイスなどでは比較的電化費用が安価で石炭産出が少なかったことから比較的早いうちに鉄道路線はほぼ全線が電化されている。アメリカやオーストラリアなどの大陸横断鉄道は電化されていない区間がほとんどであるが、ロシアを横断するシベリア鉄道は電化されている。

なお、都市鉄道や地下鉄では電化のデメリットである「高コスト」が輸送量増大が見込めることで打ち消せられるため、全線が電化されているのが原則である。

4.1.1. 電化・非電化区間が混在する路線
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後述の通り、日本国内で電化・非電化区間が混在する路線は運行系統が途切れて別々の路線として扱われることが多い。例外的に大井川鉄道井川線のように輸送量増大目的ではなく何らかの理由で電気運転をやむを得ず使用する路線では非電化側の列車が直通する場合もある。

外国の例ではアメリカでペンシルバニア鉄道のワシントン‐ニューヨーク電化以前は、ニューヨーク手前まで来た蒸気機関車の列車がニューヨーク入口のボルティモア・ベルトラインのトンネルだけ蒸気機関車ごと電気機関車が牽引していた事例がある。

一方、インドなどの国では、このような非電化混在路線においては機関車を交替することで、運行系統が分断されずに直通運転に対応することがある。

4.2. 日本
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電気軌道では、路面電車系統では1895年に京都市で京都電気鉄道が開通しているが、一般の鉄道では甲武鉄道が1904年に飯田町 - 中野間を電化したのが始まりである。当時の電化には、600 Vの直流饋電が採用されていた。甲武鉄道は1906年の鉄道国有法によって国有化され、国営鉄道初の電化区間となった。以降、大正期は山手線など東京都市圏での通勤電車の走行を目的に実施され、昭和初期には城東線など大阪都市圏でも実施された。

一方私鉄では蒸気機関車運行だった南海鉄道が1907年年から電化を始め、1911年には60 ㎞以上の区間の電化を完成させるなど国営鉄道より長大な電化区間が誕生し、この時期国営鉄道にもなかった総括制御付きのボギー車や、貫通扉や便所のある電車導入など、この当時は私鉄の方が電化に関しては先進的な面が強かった。

もっとも国営鉄道側も手をこまねいていたわけではなく、1912年に煤煙問題に悩まされていた碓氷峠を電化し、初の電気機関車の導入、1914年年には、京浜線の電車運転開始に際し輸送量増加に伴う電圧降下防止に昇圧されることになり、当時の技術などを考慮した結果、それまでの600 Vから1,200 Vが使用され、その後技術向上もあってさらに電圧をあげられるようになり、1922年に出された東海道本線の全線1,500 V電化の計画に先立って試験を行い、その結果を私鉄にも公開した所、同年の大阪鉄道が私鉄で初めて1,500 V直流電源を採用し、東海道線電化以後開業の私鉄は基本的に1,500 Vを採用するようになり、国営鉄道側も京浜線・中央線・山手線を1931年までに1,500 Vに昇圧した。

この間、1927年9月26日の東京朝日新聞「近く電化調査員会を設け電化区間の順位決定」という記事によれば、以下の区間が電化候補になったと報じられている。

中央線 - 甲府 - 下諏訪
上越線 - 長岡 - 高崎
篠ノ井線 - 松本 - 多治見
宮地線 - 肥後大津 - 玉来
北陸線 - 柳ヶ瀬 - 今庄
高山線 - 高山 - 富山・岐阜 - 高山
山陰線 - 豊岡 - 鳥取
鹿児島線 - 人吉 - 吉松
越美線 - 福井 - 美濃太田
東北線 - 郡山 - 福島・福島 - 白石
津山線 - 姫路 - 津山
因美線 - 鳥取 - 津山
奥羽線 - 米沢 - 福島
東海道線 - 山北 - 沼津その後、北陸線米原～今庄、奥羽線福島～米沢、山陰線鳥取～豊岡、東海道山陽線大津～明石の電化が昭和4年度予算に必要経費が計上されたが、 浜口雄幸内閣による緊縮財政により各線の電化が中止に追い込まれてしまった。

時系列的に少し戻るが、昇圧のきっかけとなった東海道本線電化計画は試験機関車が来る前から丹那トンネルの開通まで見越して東京から国府津まで1,500 Vで直流電化したが、その後は東海道線の電化は一時考えないで大阪付近の輸送量が多い地域の電化や清水トンネル・仙山線といった長大トンネル付近の電化を優先的に行い、手間取っていた丹那トンネルの工事完了後は再び東海道線電化も考えられたが、1937年に日中戦争が勃発、その先行きも不透明な中1941年に対米開戦と、日本は戦争へと突き進み、電化工事は戦後まで持ち越されている。