デッドセクションとは?


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目次

  1. セクションとは?
  2. 「デッドでない」セクションと「デッド」セクション
  3. デッドセクションの種類
    (1) 異電圧直直セクション
    (2) 異電圧交交セクション
    (3) 異相区分セクション(交交セクション)
    (4) 異社間直直セクション
  4. (5) 交直セクション
  5. 現存する交直セクションの場所
  6. 交直セクションの構造
  7. 交直両用電車・機関車の回路と交直切換の仕組み
  8. 交直セクション通過時の走行音
  9. 交直両用電車の屋上機器
  10. 交直切換時の冒進保護
  11. デッドセクションの歴史と今後

1.「セクション」とは?

 一般的な電気鉄道は,線路から数m上空に張られた「架線(電車線)」から,車両に搭載したパンタグラフで集電することによって動力を得ています.パンタグラフは,架線と良好な電気的接触を得るために,ばねによって数kgの力で常に架線に押し付けられています.そのため,架線は,列車が通過する部分においては機械的に連続していなければなりません.もしパンタグラフが架線のないところに入ると,上昇しすぎて場合によっては壊れてしまいます(いわゆる「バンザイ事故」).

 しかし,一方で電気的に異なる区間を突き合わせる場合や,運転上,保守上の都合などで架線を区分し,絶縁する必要が生じます.そこで,機械的には架線を連続させつつも電気的には絶縁する必要がある場合に架線に設置されているのが「セクション(電流区分装置)」という設備です.

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2.「デッドでない」セクションと「デッド」セクション

セクションは,パンタグラフが通過する際に電流が中断される瞬間が存在しないものと存在するもの,大きく2種類に分類されます.前者は,前後の区間が同種・同電圧・同位相の場合で,短時間であれば接続されても問題ない場合に使用され,エアセクションやセクションインシュレータなどが交流・直流を問わず広く使用されています.

エアセクション・セクションインシュレータの詳しい説明

一方,前後の区間の電源の種類(交流・直流),電圧,あるいは位相のいずれかが異なる場合は,パンタグラフ通過の一瞬であっても前後の区間が導通してはならないため,両区間を完全に絶縁するために「デッドセクション」と呼ばれる設備が使用されます.


3.「デッドセクション」の種類

国内の電気鉄道における電化方式には,以下のような種類があります.

 また,交流区間特有の問題として「位相のずれ」があります(下記参照).これらの電気方式の異なる区間を直通運転する場合,両者の境界地点においては,架線の機械的な連続性を保ちつつ両者を電気的に完全に分離する必要があります.このために設けられるのが,2.で述べた「デッドセクション」です.「デッド」とは,両者の間に電圧がかかっていない部分(無電区間,死区間)が存在することを表しています.デッドセクションは,区分する2つの電気方式の種類で以下のように分類されます.

(1) 直流で電圧の異なる区間同士を区分するもの(異電圧直直セクション).

 直直セクションと呼ばれることもあります.私鉄などで,直流1500Vで電化されている路線と,直流600Vや750Vで電化されている路線との間で直通運転を行う場合に設けられます.古くは新京阪(現:阪急京都線,1500V)が阪神急行電鉄(現:阪急宝塚線,600V,ただし現在は1500Vに昇圧)の梅田に乗り入れていたころに,十三-南方間に設けられていました(1969年8月の宝塚線1500V昇圧に伴い廃止,なお鉄道ピクトリアル1998年12月号増刊号「阪急電鉄」77ページに当時の写真が掲載されています).また,2005年4月1日に廃止された名鉄田神線の田神-市ノ坪間にもありました.現在では箱根登山鉄道の箱根湯本駅構内(1500V-750V)に存在します.また,伊予鉄道松山市駅構内にも600V(高浜線)/750V(横河原線)の異電圧セクションがありますが,ダイオードを用いて電流の切り替えおよび混触の防止を行っているため,デッドセクションにはなっていません.

箱根登山鉄道 箱根湯本駅構内の異電圧直直セクション

名鉄田神線の異電圧直直セクション(廃止)

伊予鉄道 松山市駅構内の異電圧直直セクション

(2) 交流で電圧の異なる区間同士を区分するセクション(異電圧交交セクション).

 山形新幹線や秋田新幹線では,交流25kV電化の東北新幹線と,交流20kV電化の在来線(奥羽本線,田沢湖線)との間で直通運転を行っています.このため,電圧の異なる新幹線と在来線がデッドセクションを介して結ばれています.ただ,車両側は25kVで動作するように設計されており,在来線へはそのまま進入します(主回路は電圧が5kV下がっても問題ないように設計されています).また,九州新幹線では軌間可変電車(フリーゲージトレイン)の試験が実施されており,鹿児島本線との間に軌間変換装置を備えた連絡線が設置され,その狭軌側に25kV-20kVの異電圧セクションが設けられています.これらの設備は博多~新八代間開業後に連絡線とともに一度撤去されましたが,第三次試験車両の登場後,ほぼ同じ場所に復活しています.さらに,2016年3月26日には北海道新幹線 新青森-新函館北斗間が開業しました.北海道新幹線と海峡線は青函トンネルを含む約82kmの区間を共用していますが,同区間の架線電圧が在来線の20kVから新幹線の25kVに昇圧された関係で,共用区間の出入り口にあたる津軽線中小国-新中小国信号場間,および道南いさりび鉄道木古内-札苅間の2ヶ所に新たに異電圧交交セクションが設置されました.

東北新幹線-奥羽本線 福島駅構内の新在直通異電圧交交セクション

東北新幹線-田沢湖線 盛岡駅構内の新在直通異電圧交交セクション

九州新幹線-鹿児島本線 新八代駅構内の新在直通異電圧交交セクション(試験用)

津軽線 中小国き電区分所の異電圧交交セクション

道南いさりび鉄道 木古内き電区分所の異電圧交交セクション

(3) 交流電化区間において,交流電圧の位相が異なる区間同士を絶縁するためのセクション(異相区分用セクション).


スコット結線のトランス

 交流電化区間の場合,隣接する変電所から供給される電源は位相がずれているのが普通です.また,三相交流の2線からそのまま大電力の単相交流を取り出すと三相の電流のバランスが崩れ(三相不平衡),送電系統に悪影響を与えます.そのため,一般的に交流電化区間では,スコット結線(右図)や変形ウッドブリッジ結線,またはルーフ・デルタ結線と呼ばれる特殊な結線のトランスを用いることによって,変電所を境にして両方面に90°位相がずれた交流を供給しています.これらのトランスは,両方面に同じ負荷が存在する場合に,電源側の三相に平衡した電流が流れるように設計されています.



交流の位相差

 このような位相の異なる交流電流が混じり合う(混触)と右図のように短絡(ショート)したのと同じことになり,大電流が流れて事故になってしまいます.そこで,在来線の場合には両者の間に短い(8m程度)無電区間を設け,双方の電流が混じり合わないようにしています.このとき,力行(ノッチオン)したままだと絶縁区間に入ったときに架線とパンタグラフの間にアーク(火花放電)が発生してこれらを損傷してしまうので,ここを通過するときにはノッチオフして惰行する必要があります.異相区分用のデッドセクションは変電所と,隣接する変電所同士の境界地点に設置されるき電区分所などに設けられています.下のページでそのごく一部の例を紹介しています.


北陸本線 湯尾-南条間の異相区分交交セクション

北陸本線 王子保-武生間の異相区分交交セクション

北陸本線 大土呂-越前花堂間の異相区分交交セクション

北陸本線 丸岡-芦原温泉間の異相区分交交セクション

鹿児島本線 西小倉-九州工大前間の異相区分交交セクション

鹿児島本線 鳥栖-肥前旭間の異相区分交交セクション

日豊本線 西小倉-南小倉間の異相区分交交セクション

長崎本線 新鳥栖-肥前麓間の異相区分交交セクション

えちごトキめき鉄道 青海変電所の異相区分交交セクション

IRいしかわ鉄道 津幡き電区分所の異相区分交交セクション

つくばエクスプレス みどりの-万博記念公園間の異相区分交交セクション

北陸本線高月-木ノ本間の異相区分交交セクション(廃止)

その他の異相区分交交セクションについては在来線交流区間 全デッドセクション一覧もご参照下さい.

 一方,新幹線においても交流電化を採用しているため異相区分セクションが必要となりますが,高速運転・常時力行を要求されることから惰行が必要となるデッドセクションではなく「異相区分切替セクション」と呼ばれる設備が設置されています.また,北陸新幹線では電源周波数が変わるき電区分所が3ヶ所に存在しますが(新軽井沢き電区分所新高田き電区分所および新糸魚川き電区分所),これらのき電区分所には「異周波数切替セクション」と呼ばれる設備が設置されています.

新幹線の異相区分切替セクション・異周波数切替セクションの詳しい説明

(4) 直流電化方式の会社間で両者の電源系統を完全に分離するためのセクション(異社間直直セクション).

 直流電化方式の2つの会社の境界において,両者の電圧が同じ場合は電気的に一瞬接続されても大きな問題にはならないため,一般的にはエアセクションやスライダ付きのセクションインシュレータなどの電流が中断しない方式のセクションが採用されますが,何らかの事情により両社の電源系統を完全に分離したい場合にデッドセクションが設置される場合があります.

東北本線-東武日光線 栗橋駅構内の異社間直直セクション

御殿場線-小田急小田原線 松田・新松田駅構内の異社間直直セクション

高崎線-秩父鉄道熊谷駅構内の異社間直直セクション(休止中?)

西武秩父線-秩父鉄道 西武秩父駅構内

(5) 交流区間直流区間を接続するセクション(交直セクション).

 直流電化方式では,架線から取り入れた電気を直接制御してモータを回すため,電車1両のコストは安くなるものの,モータの絶縁や,変電所に設置されているシリコン整流器の逆耐圧の問題などから電源電圧(=架線電圧)をあまり高くすることができず(JRは1500V,イタリアなどには3000Vの区間もあります),その結果,架線に流れる電流がどうしても大きくなってしまいます

(P = I * E より,電力Pが一定なら電流Iは電圧Eに反比例する)

すると,架線(トロリー線)の抵抗による電圧降下が無視できなくなるため,短い間隔で多くの変電所を設置する必要があります.また,このような大電流は架線だけでは送電できないため,通常は架線(トロリー線)と並列に「き電線」と呼ばれる太い電線が設置されています(最近ではき電線と吊架線を兼用する場合があり,「き電吊架方式」と呼ばれています).

これに対し交流電化方式の場合,電圧を車内に積んだ変圧器で下げてから整流器で直流に変換できるため,20kV(在来線)~25kV(新幹線)と,高い電圧を使用することによって架線に流れる電流を少なくすることができ,変電所の数を減らすことができます.しかし,各電車ごとに変圧器と整流器を搭載する必要があるため,一両あたりのコストは直流電車に比べて高くなります.

 このため,電車の本数が多い都市部では直流電化,本数が少ない地方ではおもに交流電化が行われています.そこで,両方の地域を直通する電車(交直両用電車)のために,直流電化区間と交流電化区間の境界に設けられたのが「交直セクション」です.

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4.現存する交直セクションの場所

現在,日本国内には下記に示す9ヶ所に交直セクションが存在します(車両基地内などは除く).

  1. 山陽本線 門司駅構内
  2. 北陸本線 敦賀-南今庄間
  3. 七尾線 津幡-中津幡間
  4. えちごトキめき鉄道 糸魚川-梶屋敷間
  5. 羽越本線 村上-間島間
  6. 東北本線 黒磯駅構内
  7. 水戸線 小山-小田林間
  8. 常磐線 藤代駅構内の交直セクション
  9. つくばエクスプレス 守谷-みらい平間

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5.交直セクションの構造

 通常,トロリ線(実際にパンタグラフと擦れあって電気を供給する線)は銅を主成分とする合金でできていますが,デッドセクションの部分では,直流1500Vと交流20kVの2種類の電気が混じり合わないようにするために,下の写真のようにセクションインシュレータとよばれるFRP(ガラス繊維強化プラスチック)製の棒によって絶縁されています.また,吊架線(トロリ線を一定の高さに吊るためのワイヤー)も碍子によって絶縁されています.電気の供給されていない区間(無電区間,死区間ともよぶ)の長さは,通過する列車の速度によって異なりますが8~60m程度(下の写真は駅構内で速度が遅いため10mになっています)で,電車はこの区間を惰行で通過します.


富山駅構内に設置されていた北陸本線-富山地方鉄道渡り線の交直セクション(現在は廃止)

 また,交直セクションでは,交流と直流の帰線電流(レールを流れて変電所に戻る電流)が混触しないようにするため,および信号の軌道回路方式が異なるために,レールの方にも絶縁継目が設置されています.絶縁部分の両端には信号電流を中継するためのインピーダンスボンドと中継回路が設置されています.閉塞区間の境界に設けられているインピーダンスボンドと良く似ていますが,両区間のインピーダンスボンドの中性点が接続されておらず,また,直流用と交流用のインピーダンスボンドが向かい合わせに設置されている点が特徴となっています.ただし,直流変電所が交直セクション付近もしくはセクションより交流側にある場合には,変電所への帰線がインピーダンスボンドの中性点に接続されている場合もあります(例:常磐線 藤代駅構内の交直セクションなど).


交直セクション直下のレールに設置された絶縁継目.金網の向こう側にはインピーダンスボンドが見えます.
北陸本線 長浜-虎姫間の交直セクション(廃止)


一般的な閉塞境界のインピーダンスボンド(上)と交直セクションのインピーダンスボンド(下)

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6.交直両用電車・機関車の回路と交直切換の仕組み

交直両用電車・機関車は,基本的には直流機関車・電車の回路の電源側に交流20~25kVを直流1500Vに変換する主変圧器・整流器と,直流区間走行時にこれをバイパスするための切替スイッチ(交直切替器・交直転換器)が追加された構造になっています.直流区間を走行する際には架線からの電源をそのまま主制御器(最近の車両はほとんどがVVVFインバータ)に印加します.一方,交流区間を走行する際には主変圧器で降圧→整流器で直流に変換してから主制御器に印加します.詳しくは下のリンクへ

交直両用電車・機関車の回路と交直切換の仕組み


7.交直セクション通過時の走行音

 交直セクションを通過する際にはABB(またはVCB)の動作音など,独特な音が聞こえます.また,旧型車両(国鉄型が中心)の場合,切換時に室内灯が消えるため,車掌のアナウンスがある場合もあります.詳しくは下のリンクへ.

デッドセクションに関連する列車の走行音

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8. 交直両用電車の屋上機器

 交直両用電車の屋上には,交直切替器や空気遮断器,数々の保護装置などが設置されており,直流電車よりもかなり複雑になっています.詳しくは下のリンクへ.

交直両用電車の屋上機器

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9. 交直切換時の冒進保護

 主回路が直流状態のままデッドセクションを越えて交流区間に侵入すると,通常1500Vしかかからない直流回路に交流20kVがかかってしまいます.逆に交流状態のままで直流区間に侵入すると,交流側回路の主変圧器(直流に対するインピーダンスが0Ωに近い)に大電流が流れてしまいます.いずれの場合にも回路の焼損などにつながるので,そうならないように保護装置が設置されています.詳しくは下のリンクへ.

交直切換の失敗(冒進)のための保護回路

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10.デッドセクションの歴史と今後


日本の交直セクションの歴史

 上図は,日本国内に存在する,またはかつて存在した交直セクションを設置年順に並べたものです.日本で始めての交直セクション(地上切換式)は,1957年に日本最初の交流電化路線である仙山線の作並駅構内に設置され,車上切換の試験も行われました.その後,1960年代後半から70年代前半には,東北地区(50Hz)・北陸・九州地区(60Hz)の交流電化進展に伴い,東北本線黒磯駅構内に地上切換式(後に車上切換式も併設)の交直セクションが,常磐線藤代駅構内山陽本線門司駅構内北陸本線田村-坂田間水戸線小山-小田林間北陸本線糸魚川-梶屋敷間羽越本線村上-間島間湖西線永原-近江塩津間には,いずれも車上切換式の交直セクションが設置されました.また,交流電化の北陸本線から直流電化の富山地方鉄道へ特急・急行電車を乗り入れるために富山駅構内の北陸本線-富山地鉄渡り線に交直セクションが設置されています.このセクションは乗り入れ中断に伴って一時休止されましたが,平成3年の乗り入れ再開に伴い復活しました.また,旧型国電の天下だった富山港線の車両を本線と共通化するために富山駅構内にもう一つの交直セクション(回送列車用)が設置されました.

 国鉄が分割民営化された後の1991年,JR西日本管内の交直セクションに大きな動きがありました.まず,七尾線が電化されましたが,付帯工事(絶縁距離を確保するためのトンネル,跨線橋箇所の盤下げなど)のコスト面から,交流の北陸本線から分岐するにもかかわらず直流電化とされました.そのため,分岐駅の津幡と隣の中津幡の間に交直セクションが設置されています.また,同じ年,京阪神から湖北地方の中心都市である長浜まで新快速電車を乗り入れるため,田村-坂田間にあった交直セクション長浜-虎姫間に移設され,米原-長浜間は直流電化に変更されました.その後も,山陽新幹線-山陽本線新下関駅構内(軌間可変電車の試験用),敦賀駅構内の小浜線-北陸本線間渡り線(小浜線直流電化による)などへ交直セクションが設置されました.

 2005年8月には秋葉原-つくば間に首都圏新都市鉄道(つくばエクスプレス)が開業しましたが,守谷から北は常磐線や水戸線と同じ理由で直流電化ができないため,守谷-つくば間は交流20kV 50Hz電化とされ,これに伴って守谷-みらい平間に民鉄単独では唯一となる交直セクションが設置されました.

 2006年,JR西日本の交直セクションが再び大きな転機を迎えました.まず,富山港線のLRT化(富山ライトレール)による富山-富山口-(奥田中学校前踏切)の廃止に伴って,富山駅構内の北陸本線-富山港線渡り線の交直セクションが2月28日限りで廃止されました.また,10月21日には新快速電車の乗り入れ区間が長浜駅から敦賀駅まで延長されます.これに先だって,北陸本線長浜-敦賀間湖西線永原-近江塩津間が9月24日をもって直流化され,永原-近江塩津間および敦賀駅構内(北陸本線-小浜線)の交直セクションが廃止されました.また,長浜-虎姫間の交直セクション敦賀-南今庄間(北陸トンネル入口付近)に再び移設されました.さらに2010年4月に北陸新幹線建設・在来線高架化に向けた仮駅移転に伴い富山駅構内の富山地鉄渡り線上の交直セクションが廃止されました.

 2015年3月14日,北陸本線糸魚川-梶屋敷間の交直セクションを含む区間が北陸新幹線長野~金沢間開業に伴い「えちごトキめき鉄道」に移管されました.えちごトキめき鉄道では,糸魚川-新潟間の快速1往復を除く全ての定期普通列車が気動車での運行となっています.

 今後の動きとしては,東北本線黒磯駅構内の交直セクションを構内北側,あるいは隣の高久駅との間に移設し,複雑かつ老朽化した地上切換設備を廃止して黒磯駅構内を完全直流化する工事が2017年度の完成をメドに進められています.完成すれば東北本線北関東~南東北エリアの地域輸送および広域の貨物輸送の形態が大きく変化する可能性があります.


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