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鉄道電化   電車と電気機関車   蒸気機関車   9600形設計   共同設計  列車の走行抵抗　連結器　ブレーキ　INDEX

朝倉希一の鉄道電化の創業史
（技術随筆　汽車　交友社　昭和31年刊　p78-97)

目次 1 トンネルから始まった鉄道の電化 2 ヨーロッパ各国の電化への取組 3 電化の方式と経済性 4 シカゴ・ミルウォーキー鉄道の高圧直流電化 5 ピーク負荷で契約された電力料金 6 世界各国の電化の促進 7 架線の不要な電気式ディーゼル機関車の登場 8 電化の経済性の指標　負荷率 9 日本の鉄道電化の始まり 10 戦後の石炭事情悪化に伴う電化の進展 11 日本で発達した列車の電車化 12 交流電化の始まり

国鉄最初の電気機関車10000（EC40）形（ラック式） 明治44年ドイツ・アルゲマイネ製　12両を輸入し昭和11年まで活躍した。本線走行は集電靴により第三軌条から集電したが、横川−軽井沢駅構内運転用にトロリーポールも装備し大正8年パンタグラフに改造 白土貞夫　鉄道ピクトリアル 1993/1 p41

　そしてこの線の電化工事に着手したが、他の線の電化が行われないうちに第一次世界戦争が起り、ドイツから石炭を輸入することができなくなり、アメリカから石炭を輸入しなければならないような辛い経験をなめた結果、1918年に電化計画を立て、全線を3群に分けて計画し、第1群1,128kmは電化が有利の計算となるので1928年までに電化し、第2、第3群を各10年遅れて電化する予定としたが、財政難のためその実行が疑問視された。
　しかしその後、電化が促進されたのは石炭を得られなくなる懸念等があったものであろう。
　ドイツに続いては水力が豊富で石炭事情の悪いバイエルンにおいて、先ず研究が行われた。
　1906年の最大輸送量の月である日月の輸送量を基とし、1920年の輸送量がその42％増となると推定するとき、所要馬力は24時間の平均において202,000馬力であり、実際には606,000馬力を要する見込であるが、未開発の水力で一年間連続使用し得るものが300,000馬力あるから、列車運転用水力のあることを知った。
　しかし経済調査においては、勾配の多い南バイエルンにおいては、石炭の値段を機関車上において、1トン24マルク、電力は1ＫＷＨ1〜2プフェニヒとし、北バイエルンにおいて、同じく石炭21マルク、電力2〜3プフェニヒとするときは、南バイエルンにおいては一般に電化が有利であるが、北バイエルンにおいては一部の線路のみが有利の計算となった。
　かくて電化用発電所の建設と南バイエルン線の一部に電化が計画された。
　プロイセンにおいては発熱量約2,000カロリーの低質炭が 1トン約 2マルクで、石炭の値段の1/6に過ぎないので、低質炭の産地を選んでデッソーとビッタフェルトの間を電化して、試験を行ったが、電気機関車に対する故障は可なり多くあった。
　ことに棒駆動式のものに困難があった。
　その後マグデブルケ付近およびシレジア地方で同様の理由で電化された。
　ウィルテンベルクにおいても電化が研究されたが、電気会社から提出された電化が有利である計画を、鉄道当局は承認しなかったという。

3 電化の方式と経済性  top

　以上のように電化は経済上実施が困難な地方が多かった。
　これは建設費を要することが多いためである。
　電化は建設費を少なくする必要あることが初めから考えられ、そのために電化方式が検討された。
　建設費を少なくするためには高圧の採用、従って交流の採用が考えられた。 
　3相交流では架線2本を要し、高速度に必要なカテナリー形架線とすると、構造が複雑となり、5,000ボルト以上は技術上困難とされた。
　そこで単相交流によることとし、15,000ボルト、16-2/3サイクルが標準と定められるに至った。
　初め単相交流6,000ボルト25サイクルの電車が、ハンブルグを中心とするブランケネーゼと､オールスドルフ間に運転されたが、電動機に満足の結果が得られなかった。
　当時の技術では単相鉄道用電動機としては、サイクル数か少なくすることが必要であったので、一時15サイクルを標準としたが、一般発電所の電力を利用するために、50サィクルの1/3である16-2/3を標準とするに至ったのである。
　単相交流はアメリカにおいても採用された。ニューヨーク、ニューヘブン、ハートフォード鉄道の102kmやその他でも採用された。
　当時アメリカで工業用に多く採用されていた25サイクルが採用されたのであるが、その結果は十分満足できるものではなかったようである。
　高圧直流が発達するに及んで直流に改造された電化線路のあることは、直流の優越性を物語るごとくである。

4 シカゴ・ミルウォーキー鉄道の高圧直流電化  top

　高圧直流電化はシカゴ・ミルウォーキー、エンドセントポール鉄道で採用してから有名となった。
　同鉄道では710kmの区間を電化するに当って、3,000ボルトの直流を採用して大いに成功したと称せられた。
　この区間は1915年に一部電力運転を始め、1917年に完成し、次で1920年に太平洋地区の350kmを電化した。 
　710kmの電化に12,750,000ドルを費し、その内5,500,000ドルが機関車費であるが、同地方に使用していた蒸気機関車の価額を2,500,000ドルと見積って、これを設備費から差引いた10,250,000ドルが電化費とされていた。
　また太平洋地区350kmの電化には約8,000,000ドルを要し、そのうち約6,000,000ドルが機関車の費用であるとのことであった。
　この電化によって運転時間を20％節約し､引張トン数は約30％増した。
　710kmの区間に14個所の変電所を設けたが、機関車動輪周において利用し得る電力は、変電所入口において受入れる電力の50〜55％に過ぎない。
　710km区間が大体3つの長い山越え区間から成り、勾配の状況が電力回生に都合がよいので20−25％の電力を回生しているが、それでも電流消費量の変電所入口における1ＫＷＨが、機関車上における石炭約3kg（6,700カロリーのもの）に相当するという。
　かくて1917年における輸送量は1915年におけるよりも大であったが、1トン1km当り運転費は1915年の電気運転と1915年の蒸気運転と同一であった。
　しかし1917年には8時間労働制が実施されて賃金が上ったから、電力運転の方が安かったのであるという。
　経済上の問題は会社からは発表されていなかったが、著者が1921年に視察したとき聞いた所によると、電化の結果、経済的となる計算であったという。
　しかし案内してくれたその会社の人に対し、設備費の利子や償却を仮定して考えるとき、どうも有利とはならないように見えると述べたいた。
　電化の経済関係は、電力費や石炭費などの比較ではできないのであり、電化すれば人件費や修繕費の減少することを力説して、ビュート・アナコンダ鉄道の電化の成績などを示してくれたが、それらの例によると、電化すれば列車回数などを増加することによって、運輸量が増進することが､電化の経済関係に著しい影響があることを示すのであって、シカゴ・ミルウォーキー線電化の有利なことを説明するものではなかった。
　この線においても電化に際し経費の節約には大いに努められたことは、14個所の変電所の従事員は合計50人であり、710kmにわたる線路の架線の監視は14人で行っているとのことであった。
　この線は炭坑から遠く離れていて近くに豊富な水力があることは、電化に好都合であるが、運輸量の少ないことは不利となるのである。
　しかもこの鉄道の株主中には、この地方の水力電気会社の株主が多くて、この電力の利用を図ることが電化の目的であったのであるとの説をなすものがある。

5 ピーク負荷で契約された電力料金  top

　鉄道会社と電力会社との間に結ばれた99年間にわたる電力供結契約において、この電化区間のほぼ中央に位するデイーア・ロッジを境とし、東区域と西区域とで別々に電力の売買契約をなし、電力料金は変電所の入口で11万ボルトの3相交流1ＫＷＨにつき0.536セントで、ビーク負荷の60％を支払うことに定められているという。
　それ故ピーク負荷を増すことは不利となるので、急勾配線を上る列車は1個列車に制限し、変電所に特別の電力制限装置を設けて、ピーク負荷がある限度をこえる恐れのあるときは、電圧を2,000ボルトにまで自動的に下げて、運転速度を落し、場合によっては列車が止まっても差しつかえないとして、電流の増大を制限しているのは、この電力購入条件が鉄道側に不利なためと思われる。
　電化に当りピーク負荷の大なることは、設備費を大ならしめ、不経済の原因となるものであるが、このようなピーク調整装置が、わが国の電化のごとき場合に、何らの価値のないものであることは明らかであるが、わが国でもこの装置が高く評価されでいたことがある。
　以上のように、この線の電化は、3000ボルト直流による長距離電化の成功であるとして大いに宣伝された。
　しかしこの線の電化については、問題があったように思われるのであり、その後会社の経済状態は悪くなり、清算人の手に渡るに至った。

　25サイクルの単相交流で大規模の電化が行われたことは、単相交流鉄道用機関車が非常な進歩を遂げたことを物語るものである。
　戦後ソビエットでは15年間に20,000マイルを電化し、ノルウェーとオランダでは全線の電化が決定されたという。
　経済事情の変化に伴ない電化が促進される傾向にある。

7 架線の不要な電気式ディーゼル機関車の登場  top

　このようにして電化はだんだん行われているが、一方において架線なき電化として、電気式ディーゼル機関車が大いに使用されるに至ったのである。
　これは電化に比すれば、設備費がいちじるしく少なくてすむからである。
　電化に費用が多くかかるのは、発電所、変電または変圧所、送電線、架線等を要し、しかも鉄道運輸においては一般に負荷率の変動が大であることが、一層、設備費を大とするのである。
　すなわち、設備は過大負荷に耐えるようにしなければならないから、負荷率の変化の大なる場合には設備の利用率が悪くて、経済に大いなる影響を及ぼすのである。
　都市付近の運輸密度の大なる区間においては、電車を運転して加速度を大とし、列車回数を増して線路の輸送力を増大するから、投下資本の利用率が良いのみならず、電力使用量の変動が少ないので、電気設備の利用率も良いのである。
　これに反し一般線路の電化においては、列車単位は電車の場合より大なるのが普通で、列車回数は少ないから、発電所も変電所も、送電線も架線も、大きな電流を短時間流すに過ぎない。
　しかもこれらの設備は小容量ずつ漸次拡張することができない性質のものが多いので、最初から相当の余裕ある設備としなければならないから、その利用率が一層悪くなる。

8 電化の経済性の指標　負荷率  top

　前に述べたスイス、スウェーデン、バイエルン等の電化調査に当っては、詳細な研究を行った結果、1年間の平均の電力使用量を1とすれば最大使用量は、
　�@スイスの各電化網において3.1ないし4．4
　�Aスウェーデン鉄道の南部線にては各発電所において（列車以外の電力を含んで）2.8ないし3.8
　�Bバイエルンにおいてはミュンヘン−パルテンキルヘンを中心とする線路網において3.8
　�Cザルツブルク−ベレヒテスガーデン線にて5.4、
　�Dミュンヘン付近の交通の多い線において1.68、全鉄道網については3倍
　�Eシカゴ−ミルウォーキー鉄道においては、前に述べたようにピーク負荷調整装置を採用しているにかかわらず、1920年には1日中の計算ににおいて2.6ないし2.8であったという。
　このように鉄道運輸においては負荷率が低いのであり、水車および発電機にかかる負荷の変動が大で、平均においては軽い負荷に過ぎないから、スイスの調査においては、水車の最高効率を下げて軽い負荷で効率の下ることの少ない設計のペルトン水車を使用するとしても、水車効率の平均は1年において63％、最大輸送量の1日平均において68％を期待し得るに過ぎない計算であるという。　それゆえ鉄道専用の発電所では水力の利用効率が悪いのである。
　それゆえ鉄道用水力発電所としてはできるだけ高落差の個所を選び、大なる貯水池を設けて水量を調整して、水を有効に利用する必要があることが強調され、スイス、バイエルンではこの方針で鉄道用発電所が建設された。
　しかし近来のダム式発電所においては、できるだけの水を有効に使用するものであるから、今日においては必ずしも高落差の水力のみが鉄道用として利用されるべきものと考える必要はなかろう。
　鉄道電化用電力は負荷率の関係で経済的でない傾向を生ずるが、さらに電力使用個所が長い線路上であるので送電上の損失が多いことも問題である。
　かつ直流の場合には変流の損失も加わる。
　ヨーロッパでは15,000ボルトの単組交流を使用して送電損失を少なくしているが
　�@スイスの調査では水車輪から機関車動輪周までの損失が、1年平均の仕事量において50％、最大仕事の場合において45％であるとし、
　�Aスウェーデンの調査では送電上の損失と変圧器の損失とで19％とし、
　�Bバイエルンの調査では送電並びに変圧器の損失を40％としている。
　�Cシカゴ・ミルウォーキー鉄道の場合においては変電所の入口から機関車動輪周に至るまでにおける損失が45〜50％であるという。
　負荷率の低いことと損失の大きいことは電化の経済に著しい影響を及ぼすのであり、このように損失の多いことは天然資源の有効な利用上からも問題となる。
　第一次世界戦争の前に著者がイタリアのミラノで聞いた所によると、同地方の工場が電力を購入するのはキロワット時によるのでなく、ピーク負荷のキロワットによるのであるから、同地方工場の技術者にとっては、電力消費量を常に一定に保つように仕事を配分することが、きわめて重要な職責であったという。
　昭和4年東京で開かれた万国工業会議に列席したイタリアの技師は、わが国でアメリカ製自動車を多く使用しているのを見て、何ゆえにこのように不経済な大形車を使用するのかといぶかっていた。
　資源の少ないイタリアにおいて資源の浪費を省くようによく訓練されていることは敬服に値する。
　鉄道電化用以外の電力の負荷率がどの位であるかは国によって大いに異なるであろう。
　工場における夜業の多い外国では割合に大であるのであろう。
　それゆえ鉄道用電力は好ましくない負荷と見なされている。
　わが国の事情はこれと異なり､列車回数が多く、深夜にも多くの列車が運転されるので、電化用電力は負荷率のよい好ましい電力として発電関係者から歓迎されている。

9 日本の鉄道電化の始まり  top

　わが国有鉄道において電化調査委員会が初めて設けられたのは、明治42年で後藤新平氏が鉄道院総裁のときであった。
　この委員会において碓水峠を600ボルト直流で電化することが決定されて、実施されたのであるが、時の工作課長島安次郎氏がドイツに派遣され、著者もこれに随行を命ぜられて、電化の調査に当ったのは、後藤総裁が当時のヨーロッパ鉄道の電化調査に関心を持たれたによるものと思われる。
　碓水線の電化に引続いて山手線が電車化された。
　甲武線の一部はこれより先きに甲武鉄道会社によって電化されていた。
　ついで東京−桜木町間に電車が運転された。
　その後、東海道線をはじめ多くの線路の電化計画が立てられ、自家用発電所として信濃川発電所の建設が計画されたが、工事が中絶された時代もあり、電化の実施はいつも計画よりも遅れ、しかも規模が縮小される結果となった。
　すなわち横須賀線は電車化されたが、東海道線の電化は丹那トンネルの開通に関連して沼津まで実施されたに過ぎなかった。
　清水トンネル、仙山トンネル、関門トンネル等長いトンネル区間が電化されたほかは、東京付近が電化され、京阪神地区は電車化されたが、旅客列車も貨物列車も電化されなかった。
　その後、中央線が甲府まで電化されたのはトンネルが多いことが主要な原因であろう。
　この間、大規模の電化計画は度々立案されたが、その実現が上記の程度に止まったのは、電化が資材、資金を要することの多いことが、鉄道財政上許されなかったのが主要な原因であろう。

10 戦後の石炭事情悪化に伴う電化の進展  top

　戦後、石炭事情がいちじるしく悪化し、その値上りが鉄道の経済に及ぼす影響が大なるため、先ず上越線の電化が実施された。
　それと共に国鉄当局は大規模の電化計画を立てられた。
　その案は決定的のものではないとのことであったが、年々300kmずつ合計6,907kmを電化し、1年に石炭572万トンを節約して鉄道経済に資すると共に、石炭不足に悩んでいる産業界に石炭を供給しようとするものであった。
　その所要電化費は電気機関車と発電所の建造費を除いて405億7千万円であった。
（従来の経験から1ｋｍ当り費額を複線325万円、単線210万円とし、その2.5倍を見込んだもの）
　その中最初の5年間に1,432kmを電化し、1年に石炭145万トン節約する計画で、その費額は105億円と推定された。

そしてこの電化に要する費額、資材、電力量等を推定すると次のごとくであるという。 　この計画を実施するためには5箇所の水力発電所を建設することが必要であり、その全容量は166,000KWであるという。 　以上のように資材を要しても、石炭節約のため、この石炭の生産に要する資材を節約し得ることになるので、この節約資材によって所要資材を償却すると、鉄鋼7年、銅20年、セメント13年を要する計算となるという。 　しかし実際においては発電所や電気機関車の建設のために多くの費額と資材を要するのである。

　従来のように電化を徐々に実行した場合には、電化によって余剰となった蒸気機関車を他の線に流用しえたから、蒸気機関車費を以て電気機関車を建造することができたが、大規模の電化を急速に行うときは、多額の電気機関車建造費を要し、しかも余剰となった蒸気機関車を他に流用することができなくなる。
　しかるにこの計画においては電気幾関車を見込んでないから、計画の根本において考慮を要するものと思われたが、実際においては東海道線沼津以西が順次電化されるに過ぎないで、この案のような急速実施はできない有様であった。
　そして電化区間は昭和29年度において1,875km、全線の9.3％に達したが、スイスの94.6％、スウェーデンの38.5％、イタリアの33.4％に比較すればはるかに及ばない。

12 交流電化の始まり  top

　ヨーロッバにおける電化においては、15,000ボルト16％サイクルの単相交流が標準電化方式であることは、前に述べたとおりであるが、1935年にドイツはヘレンタール線に50サイクル単相交流を採用した。
　従来の電化方式の標準を変えるか否かについては、ドイツ国内においても大いに議論があるそうであるが、戦争の結果この線を管理したフランスにおいては、この方式を高く評価してアネシー線をこの方式によって電化して、調査研究をした結果、25,000ボルト50サイクルの単相交流を電化方式として採用するに決ったという。
　予定される電化区間について推算された所によると、車両費は直流でも交流でも同様であるが、変電所と電線路の費用がいちじるしく異なるため、単相交流の方が全設備費において、約30％の節約になるのであるという。
　そして北部線の電化をこの方式によって実施した。
　単相交流がこのように用いられることは、単相交流機関車の進歩発達に負う所が大であるのであるが、この機関車には単相交流電動機を使用するものと、機関車上においてイグナイトロンまたは他の装置によりて単相交流を直流化し、直流電動機を使用するものとある。 
　50サイクル単相交流電動機が使用できることは、ヨーロッパにおける鉄道電化開始以来40年間における技術の非常な進歩を示すものであるが、イグナイトロン等を使用するのであれば、直流電化用の変電所を車上に移したものともいえるのであり、変電設備の非常な進歩を物語るものである。　このいずれの機関車が将来普遍化するかは、実際の運転成績によって決せられるのであろうが、直流電動機によるものが多く使用される傾向にあるとのことである。

フランスにおけるこの発達に刺激されて、わが国鉄においても単相交流による電化が研究され、仙山線に試験区間を設けて実験調査が進められた。 　電気機関車は単相交流電動機によるものと、イグナイトロンと直流電動機によるものの両者が試験される。交流電化については、通信線に対する影響が外国における事情と異なるのほか、わが国における運輸の状態が、

随所に電車運転を行うことが期待されるので、電車、電気機関車に要する費額と手数のかかることの少ないことが必要であるが、電力の供給設備において、単相交流の方が安いことは疑いない。
　わが国鉄が直流電化に数十年の経験を積んだ今日、純技術的および経済的見地から比較検討して、2種の電化方式を採用すべきかを真剣に考えて判断しなければならない時期となったのである。
　なお日本の新幹線はフランス方式の25,000ボルト商用周波数の単相交流電化方式が採用された。