直流電化

直流電化 は、直流電源を用いる鉄道の電化方式。

1. 概要
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1879年にベルリン工業博覧会で世界最初の電車走行が実現した。この時の電力は直流を使用した。以降、第二次世界大戦後の商用周波数による交流電化が普及するまで、鉄道・軌道の電化方式は直流が標準的なものとなった。

方法としては、高圧 - 特別高圧で受電した交流電力を、変電所にて必要な電圧に変換後、整流器で直流にし、電圧降下を抑えるための太い給電線を通じ架線などに電力を供給する。架線電圧は、絶縁耐力からモータの製造可能な動作電圧を上限として500 - 3000 Vが選択されている。その中で、現在、世界的に多用されているものは600 V、750 V、1500 V、3000 Vの4種類である。通常は空中に張った架線に送電するが、トンネル断面を抑えたい地下鉄など、軌道の横に用意した給電用のレールに送電するケースもある。

交流は変圧が容易なため、交流電化方式では架線に特別高圧を用い、車上で降圧・整流してモータに供給するため、変電所間隔を50 km - 100 kmと広くとることができる。それに比べ、直流では500 V - 3000 Vという電圧値からの許容電圧降下が小さいため、太い架線や饋電線を使って電圧降下を抑えても変電所間隔が5 km - 10 km程度までしか拡げられず、結果として多数の変電所を必要とする。最近では、太い吊架線を饋電線と兼用とする饋電吊架方式にして饋電線を省略する事例もある。

特に日本における国鉄での事例では、直流変電所へ入る特別高圧送電線の送電端22 kV規格を変圧して直流1500 Vを得ることが標準的だったものを、交流電化に際して送電電圧の20 kVをそのまま採用して開発試験を行い、定着した経過があるため、直流変電所を地上側に作るか、車上側に作るか、という選択であったとされている。なお、現在の受電電圧は受電電力の大きさから66 kVないし77 kV以上が主で、22 kVはローカル私鉄など比較的小容量のものである。なお烏山駅の充電設備は6.6 kV受電である。

直流電化では地上設備側のコストが高くつくが、車両の製造コストは交流車両にくらべて安い。したがって、運転頻度が高く、編成両数の多い路線や1両当たりの扉数の多い車両の多い路線、旅客流動が多い割にホーム有効長に余裕のない駅の多い路線に向いた電化方式といえる。北陸本線のように、列車本数を増やすため、および他線区からの直通を目的として、交流電化区間の一部を直流電化に転換する例もある。

また、電圧の高い交流電化に比べて絶縁距離を小さくできるので、結果として周囲の建築物との距離を小さくできる。そのため、トンネル断面の制約のある地下鉄では直流電化が大多数である。非電化であった七尾線を電化するにあたり、交流電化の金沢駅に乗り入れする運転系統であるにもかかわらず、従来の小断面トンネルをそのまま利用するため、直流電化とされた例もある。

直流電化では、一般的に変電所から車両へ送る電流を架線に、車両から変電所へ戻る電流を走行用のレールに流す。これは、プラス用・マイナス用の2本の架線やパンタグラフを用意するのは複雑化やコスト上昇の原因となるためである直流電化当初は帰線電流による水道管に使用されていた鉛管の腐食が問題となり、複雑化を承知で帰線電流用の架線を別に張って2本にした例がある。}}。なお、架線ではなく別にもう1本のレールを敷設する場合がある。

なお、変電所にて交流から直流に変換する際に電源周波数も変更できるため、交流電化とは違い電源周波数の影響を受けにくいメリットもある。

2. 整流方式
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交流から直流に変換する方法としては、800V程度までの低い電圧には、かつては回転変流機などの回転機が用いられ、後に静止型として高圧にも使える水銀整流器が用いられたが、安定した大電力用シリコンダイオードの出現でこれに移行した。

2.1. 回転変流機／電動発電機
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「回転変流機」は交流側ー直流側で回転電機子と界磁を共用とする交流ー直流の変換を行う同期回転機であり 、「電動発電機」よりも大出力を扱えて効率の良いため電鉄の直流変電所に主に用いられた。電動発電機は電動機で直流発電機を回す組み合わせて交流と直流の変換を行う回転機であるが、小型化で回転変流機に劣りあまり用いられなかった。 回転変流機では、巻線が交直共通で電流が相殺され、負荷電流による電機子反作用が交直共通巻き線で相殺されて、同寸法の電動発電機方式よりも遥かに大きな電力を扱えた事により鉄道用直流発生装置に多用されたもの。

信越本線横川駅 - 軽井沢駅間の碓氷峠アプト式区間の電化は回転変流機を使って行われた。

整流子の絶縁の問題で800 Vを越える電圧の回転変流機は安定的に作れなかった。電動発電機も回転変流機も可逆的であり電源側への電力回生を許容する。

2.2. 水銀整流器
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回転機の整流子の保守を避けたい場合やもっと高電圧を使う場合には「水銀整流器」を使った。電力回生が必要な場合は、ゲート制御電極付き水銀整流器を使って、逆接続の回路を設けて電力回生に必要な交流の逆方向電流を許容した構成にした。日本では陰極共通のガラス製の三相用3 - 6陽極水銀整流器をその形状から「タコ」と呼んだ。

大型の水銀整流器は鉄槽型で、陽極数は6極、12極があり、真空ポンプで真空状態を作って動作させたが、その補助ポンプに高真空を作る水銀拡散ポンプを必要とし、動作温度範囲が狭く陰極の予熱が必要だったり、アークの電圧降下も20 V弱 - 数10 Vあって損失も大きく、逆弧の発生など扱いが大変だった。

なお、イグナイトロン、エキサイトロンはゲート電極付き単極水銀整流器の一種であり、それを封じ切り構造とした車載用製品を初期の交流電気機関車に採用している。走行振動によるアーク不安定、高圧タップ式電圧切替の絶縁などのトラブルに悩まされて、安定な大電力シリコン整流器の台頭で次々換装された。

2.3. シリコン整流器
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後年、電力損失が少なく、動作や寿命が安定した大電力用のシリコンダイオードが開発されて以降、シリコン整流器方式が主流となった。シリコン整流器は順方向の電圧降下が、逆耐電圧で3素子直列としても1 V×3×2前後で済む。また、予熱が不要で高効率のうえ、動作が安定しているため、水銀整流器を駆逐した。

しかしシリコン整流器は制御ゲートがないため、交流位相に合った逆方向電流を流すことができない。そのため電力回生は不可能である。

冷却方式は、以前はファンによる風冷式→油入自冷式→フロン沸騰冷却式→パーフロロカーボン沸騰自冷式と進化した。しかし、フロンやPFCが1997年京都会議において地球温暖化の規制物質として指定されたため、近年では純水沸騰自冷式が主流となっている。

2.4. サイリスタ整流器
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制御電極の付いた半導体素子をサイリスタと呼ぶ。シリコン整流器の一部のダイオードをサイリスタに置き換えることにより水銀整流器同様に位相制御をして電圧調整をしたり、電力回生制動に用いたり、定格出力以上で電圧を下げる垂下特性を実現することができる。

サイリスタ位相制御の一部分を抜き出した回路に近く、位相制御と整流が別になったサイリスタ混合ブリッジ回路と、ダイオードブリッジをサイリスタに置き換えて位相制御と整流を同時に行うサイリスタ純ブリッジ回路の2種類が存在するのも同様である。

回生制動が可能になったが、他に力行車両がない場合は回生失効するので、大落差降坂などの回生電力を確実に消費させるためには回生電力吸収装置とトロリ線とレールとの間にGTOチョッパと抵抗器を直列に接続して、回生電力を抵抗器で消費させるサイリスタチョッパ抵抗や、直流変電所に回生電力を電源側に送り返すサイリスタインバータが必要になる系統安定上の要請より電力会社へ電力を送り返すことは行われず