日本國鐵EF71型電力機車

**EF71 型電力機車**（日語：EF71 形電気機関車）是日本國有鐵道的交流電力機車車型之一，適用於供電制式為 20 千伏 50 赫茲的工頻單相交流電的電氣化鐵路，由東京芝浦電氣、三菱電機、三菱重工業製造，在 1968 年至 1973 年間共製造了 15 台。

## 發展歷史

### 開發背景

1960 年代中期，隨著奧羽本線的運輸量不斷增長，日本國有鐵道研製了帶有電阻制軔的 EF64 型電力機車，投入到奧羽本線福島至米澤間的直流電氣化區段運用，以替換自 1951 年開始使用的 EF16 型電力機車。1968 年，日本國鐵對奧羽本線米澤至山形區段實施交流電氣化，並將福島至米澤區段改造為交流電氣化鐵路。同時，還將設有交流電氣化試驗段的仙山線全線改造為交流電氣化鐵路。

奧羽本線翻越奧羽山脈的板谷嶺路段，是在日本國內與碓冰嶺和瀬野八並稱的陡坡區間，其中有 22 公里的 33‰連續長大坡道，且存在大量半徑約 300 米左右的小半徑曲線。在如此大坡度的路線上，若果列車下坡時頻繁使用踏面制軔來控制速度，閘瓦與輪箍長時間摩擦不僅造成嚴重磨耗，甚至容易造成輪箍弛緩的行車事故。因此，適用於奧羽本線的新型交流電力機車必須具有電力制軔，保障列車在下坡時的行車安全。

1967 年初，日本國鐵在 ED93 型電力機車（後來定型為 ED77 型電力機車）的基礎上，成功研製了首台帶有再生制軔的 ED94 型電力機車（後來定型為 ED78 型電力機車），機車小時功率為 1,900 千瓦，採用了閘流體四段全控橋式整流電路，以及可變軸重中間轉向架的 Bo-2-Bo 軸配置。為了儘可能提高奧羽本線的貨物列車牽引定數，在連結器強度限制下的該線列車最大重量需要提高至 650 噸，但是即使採用 ED78 型電力機車雙機重聯，其牽引力亦不足以牽引列車通過板谷嶺。因此，根據雙機牽引 650 噸列車通過 33‰上坡道、牽引馬達均衡電流不大於 570 安培的技術性能要求，日本國鐵在 ED94 型電力機車的基礎上又研製了 EF71 型電力機車。

### 生產批次

1968 年，三菱電機、三菱重工業、東芝公司生產了首批 11 台 EF71 型電力機車（1～11），以滿足奧羽本線交流電氣化後的牽引需要，生產預算由昭和 42 年度 2 次債務承擔。機車主電路採用閘流體六段全控橋式整流電路，在牽引和再生制軔時分別以整流和逆變模式工作，通過恆壓控制和勵磁恆流控制系統調節牽引力或制軔力。機車採用 Bo-Bo-Bo 軸配置，小時功率為 2900 千瓦，運轉整備重量為 96 噸。

1969 年，因應奧羽本線團體專用列車增發的需要而製造了 EF71 12 號機車，生產預算由昭和 43 年度 5 次債務承擔。這批機車增加了防止列車自動停止裝置（ATS）被關閉的警示功能，前窗玻璃改為採用發熱線玻璃並取消了除霜器，部分輔助機械和車體下方設備的布置也經過調整。

1970 年，因應「曙號」臥鋪特急列車的開行而製造了 EF71 13 號機車，生產預算由昭和 44 年度 3 次債務承擔。這批機車增加了自動警醒裝置（EB）、列車緊急防護裝置（TE）；為配合 20 系客車的 AREB 電氣指令式空氣軔機機，EF71 型電力機車亦在車端排障器上方設有 KE72H 型電氣連接器，用於向旅客列車傳遞電氣指令式空氣軔機號誌。

1973 年，由於「曙號」列車增加至每天兩對，東芝公司生產了最後兩台 EF71 型電力機車（14～15）。這批機車與之前相比作出了較大變化，機車上增加了 4.8 噸壓鐵配重，運轉整備重量增加至 100.8 噸，平均軸重增加至 16.8 噸，以提高機車的粘著性能。電氣設備方面，牽引馬達迴路和空轉檢測迴路增加了限流保護控制器，取消車載的諧波濾波器，當機車誤入直流區間時保護主電路的熔斷器亦被廢除。機車外觀方面，採用了較小型的尾燈和供電狀態指示燈，車體正面的司機室通風口亦被廢除，機車編號牌改為採用整塊金屬板樣式。

## 運用歷史

### 國鐵時代

EF71 型電力機車落成後均配屬福島機關區（今福島綜合運輸區）並投入奧羽本線運用。1968 年 9 月 22 日，隨著奧羽本線的交流電氣化改造工程正式完成，EF71 型電力機車亦開始在福島至米澤間投入運用，至翌日（9 月 23 日）運用區段進一步延長至山形。同年 10 月 1 日國鐵運行圖調整後，ED78 型電力機車主要擔當福島至山形間的貨物列車和旅客列車牽引任務，而在福島至米澤間的板谷嶺區段則加掛 EF71 型電力機車作為補機；但也有部分旅客列車通常以 EF71 型電力機車作為福島至山形間的本務機車，例如以「津輕號」夜行急行為代表的優等列車。

板谷嶺區段是否需要重聯牽引或者加掛補機主要視乎列車重量而定。ED78 型電力機車的單機牽引定數為 300 噸（最大 330 噸），雙機牽引定數為 540 噸。EF71 型電力機車的單機牽引定數為 430 噸（最大 450 噸），雙機牽引定數為 650 噸。實際上，以 EF71 型電力機車的牽引性能而言，雙機重聯時可牽引重達 730 噸的列車通過 33‰上坡道，但為了避免列車在陡坡上因採取緊急緊軔，而造成縱向衝擊太大及連結器損壞的事故，因此將最大牽引定數確定為 650 噸。

1970 年 10 月，上野至青森的「曙號」臥鋪特急列車開行，為配合 20 系客車所採用的 AREB 電氣指令式空氣軔機機，所有 EF71 型電力機車均加裝 KE72H 型電氣連接器，用於向列車傳遞電氣指令式空氣軔機號誌，同時亦增加了自動警醒裝置（EB）和列車緊急防護裝置（TE）。1970 年以後，EF71 型電力機車在福島至山形間的直通運轉交路亦逐漸增多，奧羽本線上本務和補機的分別已經變得模糊。

然而，對於那些無法自力通過板谷嶺路段的柴聯車列車，仍然需要 EF71 型電力機車作為福島至米澤之間的補機，例如由 Kiha 82 系柴聯車擔當的「翼號」特急旅客列車（上野 — 秋田）。1970 年 2 月，「翼號」列車開始使用新一代的 Kiha 181 系柴聯車，但由於列車不僅需要自力通過板谷嶺，亦需要在東北本線上野至福島間高速運轉，嚴酷的運用條件令列車的傳動冷卻系統頻繁發生故障。

針對「翼號」列車的這一問題，除了對 Kiha 181 系柴聯車作出相應的改進措施，並且從 1972 年 10 月起恢復以往的補機安排，福島至米澤間仍由 EF71 型電力機車牽引。直到 1975 年 11 月，奧羽本線全線完成電氣化改造，「翼號」列車改由 485 系電聯車擔當以後才不再需要補機。但是若果「翼號」列車因故障或路線積雪而無法自力行駛時，仍然會使用 EF71 型電力機車牽引。

1986 年 2 月，運用時間最長的 EF71 1 號機車首先報廢。

### 民營化後

1987 年 4 月，國鐵分割民營化後尚存的 14 台 EF71 型電力機車由東日本旅客鐵道（JR 東日本）繼承，全部配屬於福島運轉所（原福島機關區）。國鐵民營化後初期，EF71、ED78 型電力機車仍然在奧羽本線運用，但由於夜行旅客列車和貨物列車逐漸被削減，EF71 型電力機車一般只用於牽引通過板谷嶺路段的少數普通旅客列車，這些短編組列車通常由兩三節 50 系客車組成，使用大功率電力機車牽引顯然是不經濟的。

1990 年 8 月，為配合興建福島至山形的「迷你新幹線」，奧羽本線福島至山形間開始進行軌距拓寬工程，將原本的 1067 毫米窄軌改造成 1435 毫米標準軌。同年 8 月 31 日起，福島至米澤間暫時改為單線運轉，同時該線所有定期夜行列車中止營運。EF71 型電力機車除了用於牽引上述的普通旅客列車外，亦牽引山形至漆山間的貨物列車和臨時列車，直至 1991 年 8 月 26 日該線列車中止營運為止。此後，部分 EF71 型電力機車轉往東北本線投入臨時運用。1992 年 7 月，山形新幹線開通營運，EF71 型電力機車因難以轉往其他地區使用而陸續報廢，至 1993 年全部機車除籍報廢。

## 技術特點

### 總體布置

EF71 型電力機車是客貨運通用的交流電力機車，適用於供電制式為 20 千伏 50 赫茲的工頻單相交流電氣化鐵路，採用輕量化整體承載式全鋼焊接結構箱型車體。車體兩端各設有一個司機室，司機室內機車運轉方向的左側設有司機操縱台，右側設有副司機座席及手制軔手柄，司機室兩側設有供乘務員乘降的側門，司機室上方車頂裝有兩盞密封光束燈式前照燈，前窗玻璃上方裝有冰柱切割板。因應機車重聯運用的需要，機車兩端採用貫通型結構，司機室前端中央設有貫通門，以便乘務人員通過到另一台機車。

車體中部是設有各種機械及電氣裝置的機械室。車頂外置的高壓設備只有兩台 PS101C 型雙臂式集電弓。車體下方除了有三台轉向架之外，還吊裝著總風缸和諧波濾波器。車體通風系統與 ED77、ED78 型電力機車基本相同，車身兩側各設有七個通風百葉窗和採光玻璃窗，主變壓器和整流裝置等主要電氣設備的冷卻空氣均取自車內，夏季時從機械室內吸入冷風后經車頂通風口排出熱風，而冬季時則關閉車頂通風口並改為室內循環方式，以改善室內保溫性能和減少車外冷風吸入量。

### 電氣系統

#### 主電路

EF71 型電力機車是交 — 直流電傳動的整流器式電力機車，機車主電路由空氣斷路器、主變壓器、整流器、牽引馬達、平波電抗器、電路保護裝置等部分組成。機車從高架電車線獲取高壓交流電，首先由主變壓器降低電壓，再通過矽控整流器轉換成脈流電（即方向不變而只有電壓變化的直流電），然後供電給六台牽引馬達。

和 ED78 型電力機車一樣，EF71 型電力機車也採用了經濟多段橋的相控整流電路，但橋段數由前者的四段全控橋增加到六段全控橋，以儘量提高功率因數和減少諧波干擾。閘流體六段全控橋式整流電路能夠在四象限運轉，當 0°<α（控制角）<90° 時工作在整流狀態，利用六段整流橋順序移相控制進行無級調壓。當 90°<α<180° 時工作在逆變（再生）狀態，牽引馬達變為他勵直流發電機運轉，輸出的直流電經逆變電路轉換成交流電，向高架電車線反饋電能。使用再生制軔時並在電樞迴路接入穩定電阻器，以均勻分配各牽引馬達之間的負載。

為了彌補相控電力機車功率因數較低的弱點，EF71 型電力機車和 ED78 型電力機車一樣，均設置了 LC 五次及七次諧波濾波器，但由於功率因數補償效果不理想而通常切除不用。1973 年以後，奧羽本線和仙山線開始使用牽引變電所固定補償方式，並拆除了電力機車上裝載的諧波濾波器。經過這兩種機車的經驗教訓，此後日本出口的交流電力機車均採用 LCR 諧波濾波器，例如出口南非的 7E1 型電力機車和出口中國的 6K 型電力機車。

#### 控制系統

EF71 型電力機車的牽引和再生制軔控制系統與 ED78 型電力機車大致相同。牽引控制採用了單閉環恆壓控制系統（AVR），它是由司機控制器、給定器、比較器、補償電路、自動脈衝移相器（APPS）、電壓反饋系統等部分組成。而再生制軔控制方面採用了恆壓控制系統和勵磁恆流控制系統，通過改變勵磁電流或變流器電壓，來調節所需要的制軔電流和制軔力。閘流體勵磁調節器由輔助變壓器供電，為牽引馬達提供勵磁電流。

EF71 型電力機車兩端均設有兩組 KE77 型電氣連接器，可以和另外一台 ED78、EF71 型電力機車進行重聯同步控制。在技術層面而言，當無需使用再生制軔的場合，EF71 型電力機車亦可以和 ED75 型 500 番台、ED77 型電力機車實現重聯控制。

#### 電器設備

機車裝用一台強迫油循環導向風冷卻的單相主變壓器，變壓器次邊有一個向主電路供電的牽引線圈、一個向輔助系統供電的輔助線圈及一個向旅客列車供電的供電線圈。列車供電系統能夠在冬季為旅客列車的電熱取暖裝置直接供電，由主變壓器的供電線圈向列車輸出 1480 伏特單相交流電，額定容量為 380 千伏安，司機室右側裝有一盞供電狀態指示燈。整流裝置採用矽控整流器，冷卻方式為強迫通風冷卻，由反並聯連接的閘流體元件組成，採用標準化的 CJ02L 型閘流體（國鐵標準型號為 CSI 250-10 型）。

每台轉向架安裝兩台 MT52 型四極串勵直流牽引馬達，小時功率為 450 千瓦，額定電壓為 900 伏特。六台牽引馬達採用永久「兩串三並」的聯接方式，即同一轉向架的兩台牽引馬達串聯連接，三組馬達以並聯方式連接，這種方式與全並聯聯接方式相比，雖然或會削弱了機車的防空轉性能，但可以減少閘流體數量和機車製造成本。牽引馬達迴路串接有平波電抗器，以減少整流電流的脈動成分和改善馬達的換向性能。為擴大機車的恆功調速範圍，還可以對牽引馬達使用二級磁場削弱。

#### 輔助電路

機車的輔助電路系統主要採用三相交流傳動。牽引馬達通風機、電動空氣壓縮機等均採用三相鼠籠式異步馬達驅動。輔助電路系統由主變壓器輔助線圈供電，並由一台旋轉式劈相機將單相交流電轉換成三相交流電，額定電壓為 400 伏特 50 赫茲。另外還設有一台小型電動發電機，為控制電路、照明電路、蓄電池充電供應 100 伏特直流電。

### 轉向架

機車走行部為三台二軸轉向架，包括兩台 DT129M、DT129N 型兩端轉向架和一台 DT137 型中間轉向架，其結構與 ED75 型電力機車的轉向架大致相同。構架採用「日」字形的鋼板焊接結構，軸箱採用導框式定位結構，轉向架固定軸距延長至 2800 毫米。牽引傳動裝置採用軸懸式，牽引馬達輸出的轉矩通過一級減速齒輪傳動輪對，齒輪傳動比為 4.44（16：71）。基礎制軔裝置為雙側閘瓦制軔，每個輪對左右各設有一個軔缸，並設有制軔橫梁以保證兩側閘瓦同步作用，另外還設置了閘瓦間隙調整器。中間轉向架和車體之間還設有橫向滾動裝置，以便機車通過曲線。

轉向架採用無搖枕的全旁承支重結構，通過六組旁承彈簧支承車體全部重量。一次懸吊為軸箱頂端捲簧，二次懸吊為構架外側的旁承彈簧，旁承彈簧採用每側兩個並聯的螺旋圓彈簧組，並配有垂向油壓減震器。牽引力和制軔力通過「Z」字形低位斜牽引杆裝置來傳遞。牽引杆和牽引拉杆座呈對角斜對稱布置，與連接於構架下的三角形迴轉支承和橫向連杆組成牽引杆系統，使牽引杆的牽引點交於軌面，理論上轉向架內無軸重轉移，以充分利用機車粘著重量。

## 車輛保存

* EF71 1 號機車：靜態保存於新幹線綜合車輛中心。

## 參考書目

* 奥羽線 板谷峠越え今昔. 鉄道ファン (交友社). 1975 年 12 月， **176**.
* 特集：峠の機関車. 鉄道ファン (交友社). 1980 年 3 月， **215**.
* 交流・交直流電機出生の記録 12. 鉄道ファン (交友社). 1988 年 4 月， **336**.
* 交流・交直流電機出生の記録 13. 鉄道ファン (交友社). 1988 年 5 月， **337**.
* 交流・交直流電機出生の記録 14. 鉄道ファン (交友社). 1988 年 6 月， **338**.
* 交流・交直流電機出生の記録 16. 鉄道ファン (交友社). 1988 年 8 月， **340**.
* 犬山徹夫. ED77・ED78 の誕生とその終焉. 国鉄時代 (ネコ・パブリッシング). 2010 年 11 月， **23**: 69-70.

## 參考文獻