交流電化の方式 
BTき電方式・ATき電方式・
同軸ケーブルき電方式


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はじめに

 鉄道の電化区間において,変電所から列車に電力を供給することを「き電」(饋電-「饋」は贈る,供えるという意味)と言いますが,交流電化区間において,変電所から出力された交流電圧を架線とレールの間に直接印加して列車の運転を行う方式を「直接き電方式」と呼びます.しかし,この方式では架線電流による電磁誘導やレールから大地への漏れ電流などにより,沿線にある通信回線や電子機器に妨害を与える恐れがあります.外国においては沿線に人家などがほとんどない場所も多く,そのような所では本線上でも直接き電方式がそのまま用いられている場合もありますが,日本で電化された鉄道路線が通っているような場所は概ね人口密度が高く,沿線の人家や工場などの施設も多いことから,直接き電方式は電流が小さく周辺施設からも離れた車両基地内など,ごく限られた場所でのみ用いられています.代わりに用いられているのが,通信妨害への抑制対策を施したBTき電方式,ATき電方式あるいは同軸ケーブルき電方式とよばれるき電方式です.


目次

  1. 妨害を抑制するには?
  2. 基本:変圧器(トランス)の原理
  3. BTき電方式とは?
  4. ATき電方式とは?
  5. 同軸ケーブルき電方式とは?
  6. BTき電方式とATき電方式の比較
  7. BTき電方式の路線の外観
  8. ATき電方式の路線の外観

1. 妨害を抑制するには?

 冒頭で述べた沿線の通信回線や機器への妨害ですが,抑制のためには次の2点の対策が有効です.

  1. 変電所から架線を通って列車に供給される電流(架線電流)と,列車からレールを通って変電所に帰る電流(帰線電流)が流れる電線をできるだけ近接させて,かつ並行に設置する.
  2. 帰線電流をレールとは別に設置した電線に吸い上げ,レールに帰線電流が流れる区間を極力短くする.

1. は架線電流や帰線電流によって通信回線などに生じる電磁誘導を抑えるための対策で,架線電流と帰線電流は大きさが同じで向きが逆であることを利用します.それぞれの電流は電磁誘導により通信回線などに妨害電流を生じますが,先述の通り電流の大きさが同じで向きが逆であることから,対象物が電線からある程度離れていれば生じる妨害電流も大きさがほぼ同じで向きが逆になり,相殺されることによって妨害電流が大幅に抑制されます.また,2.は大地そのもの,あるいはそこに埋設された物を流れる電流によって生じる妨害電流を抑えるとともに,1.を成り立たせるためにも重要です(帰線電流の一部がレールから大地に漏れればその分架線電流と大きさに差が生じ妨害が大きくなります).

2. 基本:変圧器(トランス)の原理

変圧器の原理
(図1) 変圧器の原理

 各き電方式の説明の前に,BTき電方式,ATき電方式で中心的な役割を果たしている変圧器(トランス)について基本的な原理を説明します.変圧器は「鉄心」(図の縦棒)と,その周りに2組(用途によっては3組以上ある場合もあります)の銅線を巻いた「巻線」(コイル)から構成されており,一方の巻線に交流電圧E1を印加すると電磁誘導現象により他方の巻線に交流電圧E2が発生します.ここで図1に示すように交流電圧を加えた巻線(1次巻線)の巻き数をn1,他方の巻線(2次巻線)の巻き数をn2とすると,交流電圧の比 = 巻き数の比 (E1:E2 = n1 : n2) が成り立ちます.また,1次巻線と2次巻線の交流電流の比は巻き数の比の逆数に等しくなります(i1:i2 = 1/n1 : 1/n2 = n2 : n1)(※).巻き数の比の設定により,交流電圧を上げたり下げたりすることが自在にできるため,発電所において発生させた電気の電圧を上げて送電線に送り出したり,変電所において送電線の電圧を目的に応じて下げたりするなど送電系統で用いられるほか,一般家庭や工場,ビルなどの需要家においても,そして家電製品をはじめとするさまざまな電気製品の内部でも幅広く使用されています.
(※) 実際の変圧器では巻線抵抗や励磁電流の影響がありますが,ここでは説明を簡単にするため無視します.

3. BTき電方式とは?

 日本の鉄道の交流電化は1955年に仙山線 北仙台-作並間で試験的に始まり,その後1957年の北陸本線 田村-敦賀間から東北本線黒磯以北,常磐線藤代以北,鹿児島本線など地方の幹線を中心に広がっていきましたが,当初から用いられたのがBTき電方式です.この方式では吸上変圧器(ブースタートランス, BT)と呼ばれる変圧器が中心的な役割を果たしています.

 図2に吸上変圧器の基本的な構造を示します.構造的には巻線を2つ持った普通の変圧器ですが,1次巻線と2次巻線の巻き数が同じに設定されているのが特徴です.そのため,1次巻線と2次巻線の電流(電圧も)が全く同じになるという特性を持っています.

吸上変圧器の構造と特性
(図2) 吸上変圧器の構造と特性

 図3にBTき電方式の略図を示します.説明を簡単にするため,ある変電所が受け持つ区間に列車は1つしか居ないものとします.架線に数kmおきにエアセクション(BTセクション)を設置して区切り,吸上変圧器の1次巻線を挿入します.また,架線のできるだけ近くに負き電線(NF)と呼ばれる電線を設置し,これも架線と同じ場所で区切って吸上変圧器の2次巻線を挿入します.また,各吸上変圧器の2次巻線のうち,変電所から遠い側とレールを接続します.架線電流はエアセクションのところで吸上変圧器の1次巻線に迂回する形で流れてきて列車に供給されます.列車を駆動した電流は車輪からレールに流れて変電所に帰ることになるわけですが,先に述べた吸上変圧器の特性から,1次巻線に架線電流を流すためには2次巻線にも同じ大きさの電流を流す必要があります.そこで,列車からレールに流れて変電所に向かっていた電流が,レールと負き電線の接続点でほぼ全て「吸い上げられて」負き電線側に流れ,変電所までの間にある各吸上変圧器の2次電流となります.これにより,架線電流と負き電線を流れる帰線電流の大きさが同じで向きが逆になり(上述の1.),これらが通信回線などに発生させる妨害電流が大幅に減少することになります.また,列車から変電所側で,かつ列車に一番近いレール-負き電線の接続点まではレールに帰線電流が流れるものの,そこから先,変電所までのレールにはほとんど電流が流れないことになり,上述の2.の対策もなされたことになって妨害の程度が大幅に抑制されることになります.

BTき電方式の略図
(図3) BTき電方式の略図

 一方,BTき電方式の泣き所も上述のエアセクションです.原理上,吸上変圧器の両端にはある程度(区間内の列車数にもよるが数100V程度)の電位差が必要なため,列車のパンタグラフがエアセクションを通過する瞬間に大きなアーク(火花)が発生することがあります.このアークでエアセクションの架線が溶断するなどの大きな事故も度々起きています.アークを抑制するため,エアセクションの手前にもう一つエアセクションを置いて,その間の架線と区間外の架線の間に抵抗を挿入するなどの対策も一部ではなされましたが,構造が複雑になることは避けられません.さらに,エアセクションがパンタグラフで短絡された瞬間は吸上変圧器が帰線電流の吸い上げ能力を失うという根本的な問題もあります.そのため,パンタグラフの離線防止対策に有効な列車内での特高圧母線の引き通しはエアセクションの短絡時間が長くなるため行うことができず,特に高速走行するBTき電方式時代の東海道新幹線では架線電流自体が大きいこともあって大きな問題になっていました.

4. ATき電方式とは?

 ATき電方式は1970年の鹿児島本線八代-西鹿児島や1972年の山陽新幹線新大阪-岡山間などで実用が始まった,BTき電方式よりも新しいシステムです.この方式でも単巻変圧器(オートトランス,AT)という変圧器が中心的な役割を果たしています.

単巻変圧器の構造と特性
(図4) 単巻変圧器の構造と特性

 図4に単巻変圧器の基本的な構造を示します.単巻変圧器は通常の変圧器に2つある巻線が1つしか無いためこの名があります.巻線の途中から1つもしくはそれ以上のタップ(中間端子)が出ており,巻線の両端に交流電圧を入力して一方の端(こちらが共通端子になります)とタップの間から交流電圧を取り出す(降圧),あるいは逆に一方の端とタップの間に交流電圧を入力して巻線の両端から交流電圧を取り出す(昇圧)といった使い方をすることが多いです.巻線は1つしかありませんが,入力電圧と出力電圧の比が巻き数の比に等しくなる, あるいは入力電流と出力電流の比が巻き数比の逆数に等しくなるという性質は通常の2巻線の変圧器と同じです.なお,ATき電方式で使用される単巻変圧器は図のようにタップが巻線のちょうど中央から出ており(中間タップ),タップと巻線の端の電圧は巻線両端の電圧のちょうど半分となります.

    

 図5にATき電方式の略図を示します.架線(トロリー線)と平行にATき電線と呼ばれる電線が設置され,架線とATき電線の間に数kmおきに単巻変圧器が挿入されています.BTき電方式における吸上変圧器が架線に対して複数個が直列に接続されているのとは対照的に,単巻変圧器は架線とATき電線の間に複数個が並列に接続されているのが特徴です.また,それぞれの単巻変圧器の中間タップはレールに接続されています.ここで,架線とATき電線の間に変電所から標準電圧Eの2倍の電圧2Eを供給すると,中間タップ(=レール)と架線の間の電圧がその半分のEになる,という仕組みです.また変圧器の原理から,変電所から列車に向かう架線電流と,単巻変圧器からATき電線を通って変電所に帰る帰線電流は列車に供給される電流iの半分,i/2となります(ただし直近の単巻変圧器から列車までの間の電流値はiそのままとなります).

ATき電方式の略図
(図5) ATき電方式の略図
    

 ATき電方式は架線にエアセクションが不要で(後述するようにこれは大きな利点となります),回路としてはBTき電方式よりも単純とも言えますが,通信回線などへの妨害を抑制するために重要な,帰線電流をレールから吸い上げる仕組みはBTき電方式ほど単純ではありません.

 BTき電方式では既に説明した通り,列車から見て変電所側で,かつ列車に一番近い吸上変圧器が帰線電流をほぼ100%負き電線に吸上げるため,その先のレールには電流がほとんど流れなくなって大きな妨害抑制効果を発揮します.一方,ATき電方式の場合,図5では説明を簡単にするため列車に一番近い単巻変圧器の中間タップが全ての帰線電流を吸い上げているように描いていますが,実際には変電所までの間,さらには列車からみて変電所とは反対方向にも複数台の単巻変圧器が並列に接続されており,これらが共同して帰線電流の吸い上げを行っています.帰線電流が吸い上げられる単巻変圧器が列車から遠くなればなるほどレールを帰線電流が流れる距離が長くなるとともに架線電流とATき電線の帰線電流の大きさが等しくなる区間が短くなってしまい,その分だけ通信回路への妨害の抑制効果が小さくなってしまう可能性があります.実質的にはBTき電方式と同様,列車から変電所側で一番近い単巻変圧器が帰線電流の吸い上げの多くを分担することになると思われますが,分担率は架線(トロリー線と吊架線),ATき電線,そしてレールの各部分の長さやそれに伴う抵抗(交流なので正確にはインピーダンス)のバランスなどに左右され得ます.この辺りの解析の難しさが,回路自体はBTき電方式より単純であるにもかかわらず,その実用化がBTき電方式よりも遅れる原因になった,とも言われています.

5. 同軸ケーブルき電方式とは?

 同軸ケーブルき電方式は,上で説明した変圧器(トランス)の原理を応用したBTき電方式やATき電方式などとは異なるタイプのき電方式です.同軸ケーブルは中心導体と,それとは絶縁された外側導体の2重構造の導体を持つケーブルで,一般家庭でテレビのアンテナ線などに使用されているものと基本的には同じ構造を持つケーブルです.ただし,特別高圧の大電力を送電できるよう,導体は太く,絶縁体は厚くなっています.ATき電方式と同様の高い通信妨害抑制効果を持ちながら広い絶縁離隔が必要なATき電線が不要であるため,都心部で多くの構造物が近接する東海道新幹線の大崎変電所-東京駅間や大半がトンネル区間が多い東北新幹線の新田端変電所-東京駅間,それに異周波数交流の誘導によるATC信号電流への妨害対策が必要な北陸新幹線の新軽井沢新高田新糸魚川の各き電区分所にある異周波数切替セクションの中セクション部などで使用されています.

 図6に同軸ケーブルき電方式の略図を示します.架線と並行に同軸ケーブルを敷設し,ケーブルの両端はやはり2重構造になったケーブルヘッドの接続点を介して中心導体と外側導体がそれぞれトロリー線,レールと並列に接続されています.そのため,変電所から列車に向かう電流は架線と同軸ケーブルの双方に分流します.一方,列車から変電所へ帰る帰線電流はケーブル両端の接続点で同軸ケーブルの外側導体に吸い上げられます.同軸ケーブルの中心導体と外側導体の電流の向きが逆となるため,ケーブルから外部への電磁誘導が大幅に軽減されます.また,同軸ケーブルの抵抗(交流なので正確にはインピーダンス)は架線より低いため,変電所から見てケーブルの末端に当たる場所では電流の多くが架線ではなく同軸ケーブルに流れることになり,最初に採用された浜松町変電所(新幹線のき電用変電所としては廃止)~大崎き電区分所(現在は変電所に格上げ)の場合では同軸ケーブル:架線の電流比が約3:1となっていたようです(参考文献).

同軸ケーブルき電方式の略図
(図6) 同軸ケーブルき電方式の略図

6. BTき電方式とATき電方式の比較

 BTき電方式とATき電方式には下の表に示すようにそれぞれメリット,デメリットがあります.全体としてはATき電方式の方がメリットが多いため,新規の交流電化においては既存のBTき電方式の区間と接続している場合などを除いてATき電方式が採用されることが多くなっています.

BTき電方式ATき電方式
変電所からの
供給電圧(※)
列車への供給電圧と同じ列車への供給電圧の2倍
変電所からの
供給電流
列車への供給電流と同じ列車への供給電圧の1/2
き電線負き電線の設置が必要
 対地電圧が低いため絶縁が容易で離隔が狭くてすむ
ATき電線の設置が必要
× 対地電圧がトロリー線と同じため(ただし位相は逆),広い絶縁離隔が必要
変電所の間隔× 平均 約30km 平均 約100km(在来線)
エアセクション× BTごとに必要(BTセクション)
アークが発生するためトラブルの懸念があり保守上の弱点となる
 ATに対しては不要(ただし架線区分の目的で設置されることはある)
在来線ではデッドセクション(異相区分交交セクション),新幹線では異相区分切替セクションが必要だが変電所間隔が長いため数は減らせる
列車内での
特高圧引き通し
× BTセクションを短絡するため不可能 可能

(※)実際には途中の電圧降下を考慮して少し高めに設定されている

7. BTき電方式の路線の外観

 BTき電方式の路線の外観を図7に示します.列車に直接電気を供給するトロリー線と平行して,架線柱上部に負き電線が張られています.負き電線の対地電圧は低いため(ただし0ではない),小さな碍子でごく簡易的に絶縁されています.絶縁離隔も小さくて済むため,トンネル内や跨線橋の下など,線路上空のスペースが厳しい場合でも比較的設置は容易です.

BTき電方式の路線
(図7) BTき電方式の路線(北陸本線・踏切から撮影)

 BTき電方式の吸上変圧器(BT)の様子を図8に示します.一般の人が触れたりしないよう,多くの場合は架線柱上に設けられた高い台の上に置かれています.BT本体上部右側の2個の大きい端子(ブッシング)がエアセクション両端のトロリー線(対地電圧20kV)に接続された1次巻線の端子,その左にある2個の碍子が負き電線に接続された2次巻線の端子で,対地電圧がごく低いため,一次巻線の端子と比べると非常に小さいものが使用されています.なお,吸上変圧器の両脇に置かれた碍子状の部品はトロリー線やBTを雷サージなどから守るための避雷器です.

吸上変圧器(BT)の外観
(図8) 吸上変圧器(BT)の外観

8. ATき電方式の路線の外観

 ATき電方式の路線の様子を図9に示します.列車に直接電気を供給するトロリー線と平行して,架線柱上部にATき電線が張られています.BTき電方式の負き電線とは違い,ATき電線はトロリー線と同じ対地電圧であるため(ただし位相はトロリー線とは逆),トロリー線と同様に懸垂碍子で厳重に絶縁されています.また,絶縁離隔も大きくとる必要があるため,非電化時代に掘られた断面の小さいトンネルや空頭の低い跨線橋のある区間を電化する場合には苦労を伴うことも多いです.また,BTき電方式の場合は負き電線が架空地線の役目を果たすため単体の架空地線は設置されていないことが多いですが,ATき電方式の区間ではATき電線とは別にAT保護線(PW)と呼ばれる接地された電線が張られ,これが架空地線を兼ねていることが多いです.なお,ATき電線の懸垂碍子が5連と,一般的な3連より多いのは撮影場所が羽越本線 村上-間島間の交直セクション付近で海から近く塩害を受けやすいためで,ATき電方式によるものではありません(トロリー線も可動ブラケットの根元の長幹碍子とトロリー線取り付け部で2重に絶縁されているのが分かります).

吸上変圧器(BT)の路線
(図9) ATき電方式の路線(羽越本線)

 ATき電方式の単巻変圧器(AT)の様子を図10に示します.単巻変圧器は変電所やき電区分所,補助き電区分所など一般の人が立ち入りできない場所に置かれることが多いですが,それ以外の場所で線路際に置かれる場合には金網で厳重に囲われています.本体上部に3つある端子(ブッシング)のうち両側の2個の大きい碍子(ブッシング)が対地電圧の高いトロリー線とATき電線に接続され,中央にある小さい碍子がレールに接続されています(実際には信号の軌道回路の関係でインピーダンスボンドを介して接続される).

吸上変圧器(BT)の外観
(図10) 単巻変圧器(AT)の外観

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