これがなければ「のぞみ」は静岡止まり? JR東海、周波数変換装置を取り換え

東海道新幹線では2014年度から、周波数変換装置を取り替える作業に入りました。この周波数変換装置は非常に重要なもので、これがなかったら「のぞみ」は東京駅まで来られません。どのような装置なのでしょうか。

そのままでは東京駅まで走れない東海道新幹線

 JR東海は2014年度から2021年度にかけて、東海道新幹線の「周波数変換装置」について取り替えを進めることを発表しました。


 日本では、電気(商用電源)の周波数が東日本では50Hz、西日本では60Hzと異なります。東日本大震災が発生した際、このことによって西日本から東日本へ電力を融通することが難しかったことから、マスコミにより「東西で異なる周波数」へ焦点が当てられたこともありました。


 東京~新大阪間を結んでいる東海道新幹線は、この「周波数の境界」を越えて走っています。しかし初代0系から最新のN700Aまで、その車両は西日本で使われる60Hzの電気専用です。つまりそのままでは、静岡県の富士川より東側の50Hzエリアにおいて東海道新幹線は走行できない、東京駅まで来られないのです。


 このため東海道新幹線は、50Hzエリア内の沿線に「周波数変換変電所」を設置して、電力会社から届く50Hzの交流電源を60Hzに変換。それから新幹線へ送電することで、50Hzエリア内でも60Hz専用の車両が走行できるようにしています。

横浜市の綱島などに合計4ヶ所

 東海道新幹線では周波数変換変電所(FC:Frequency Conversion substation)を、沿線の4ヶ所に設置しています。東京都内の大井FCと神奈川県内の綱島FC、西相模FC、そして静岡県内の沼津FCです。


 現在、大井FCと沼津FCには「静止形」の周波数変換装置が1台ずつ設置されています。綱島FCは「静止形」1台と「回転形」3台の合計4台、西相模FCは「回転形」3台です。つまり東海道新幹線には4ヶ所の周波数変換変電所と、9台の周波数変換装置があることになります。


 今回、JR東海が進める周波数変換装置の取り換えは、綱島FCに設置されている回転形の1台と、西相模FCに設置されている回転形の1台をそれぞれ静止形に置き換えるものです。

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左が「回転形」、右が「静止形」の周波数変換装置(画像:JR東海)。

 「回転形」の周波数変換装置は、電力会社から届く50Hzの電気でモーターと発電機を作動させ、60Hzの電気を生み出す機械的な変換装置です。これに対し「静止形」は、50Hzの電気をコンバータとインバータを通すことで60Hzに変換するという、パワーエレクトロニクス技術を活用した機械的動作のない変換装置です。そのため静止形には機械の回転によるエネルギーの損失がないことから効率に優れ、定期点検時に機器を解体する必要もないというメリットがあります。


 JR東海によると、回転形の装置をそのような利点を持つ静止形へ置き換えることによって電力消費量を約2%削減できるほか、定期点検に伴う停止期間を短縮できるため、さらなる安定輸送を図れるとのこと。工事費は134億円です。

もうひとつの「境界ごえ新幹線」、33年間の差

 日本には東海道新幹線のほかにもうひとつ、周波数の境界を超える新幹線があります。長野新幹線(北陸新幹線)です。関東は50Hzですが、長野県では原則として60Hzの電気が使われています。

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軽井沢駅西側の周波数変更地点付近を通過する長野新幹線(2011年11月、恵 知仁撮影)。

 しかし長野新幹線には、東海道新幹線のような周波数変換変電所はありません。50Hz、60Hz両方の電気で走れる車両を使用しているからです。軽井沢~佐久平間に架線の電気が50Hzと60Hzで切り替わるポイントがありますが、列車は何事もなかったように通過していきます。


 ではなぜ東海道新幹線は両対応の車両を使うのではなく、周波数変換変電所を設置する方法にしたのでしょうか。その理由として国鉄新幹線総局に勤務していた海老原浩一氏は著書『新幹線』(成山堂書店)で「50、60Hz両用の電車では重量が大きくなる」ことを挙げています。東海道新幹線が開業した1964(昭和39)年当時、両対応の車両を制作することは不可能ではなくとも、デメリットが大きかったのです。


 その問題をクリアし、長野新幹線は1997(平成9)年に両方の電気へ対応した車両を使って開業。33年という年月で、新幹線では「電気の使い方」も変わっていました。


【了】

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Writer: 恵 知仁(鉄道ライター)

鉄道ライター、イラストレーター。「鉄道」や「旅」に関する執筆活動や絵本の制作を行っているほか、鉄道車両のデザインにも携わる。子供の頃からの旅鉄&撮り鉄で、日本国内の鉄道はJR・私鉄の全線に乗車済み。完乗駅はJRが稚内で、私鉄が間藤。メインは「鉄道」だが、基本的に「乗りもの」好き。

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コメント

6件のコメント

  1. 東海道新幹線も順次新しい車両に切替えているようですが、このタイミングで長野新幹線のような両周波数対応車両に
    切替えて、全部切り替わったところで古い周波数変電所を更新せず廃止、という流れにならなかったのはなぜでしょうか?
    周波数変電所の更新・増設費用の方が安く上がったのでしょうか?

  2. 50Hz区間と60Hz区間の割合が、(山陽区間も含めると)圧倒的に60Hz区間の方が長いというのも理由じゃないでしょうか?
    150km程度の50Hz区間に対応させるために、わざわざ全車両をリプレイスするよりは、地上設備で対応した方がトータルでみて低コストだという判断もあるかと思います。

    • なるほど、確かに、東京~博多で考えれば、東京から静岡ってのはごく一部ですね。
      周波数両用車両が増えれば、JR間でいろんなパターンの乗り入れや車両融通も可能にならないかなとか思ってました。
      周波数だけでなく安全管理などの統一も大変そうだし、そういうのは当分なしですかね。
      車両融通や東京で新幹線乗り換えなしって需要も現実にはなさそうですし。

  3. 昔の機器は50Hz専用機とか60Hz専用機があった程で良くてスイッチ切替出来るって位でしたね。
    インバーターの登場で周波数変化が自在になるとヘルツフリーになったり本来回転数変化には適している交流モーターが扱いやすくなったりと交流のほうが都合良くなりました。
    東海道新幹線の場合は60Hz地域が圧倒的に長いのと本来周波数が高いほうがメリット大きいので60Hzに統一したんでしょうが
    まだ国鉄が続いていて東北新幹線と直通となっていたらどうだったんでしょうかね?

  4. リニアができたら鹿児島中央駅~札幌まで一直線にできるかもしれないからそのための準備では。

  5. 中学生の頃、学校の文化祭で展示する目的で、HOゲージの鉄道模型(80/1、直流12~15Vもしくは交流20V)で、交直両用電車の実験を公開した。国産規格のほとんどは直流15V、ドイツのメルクリンのみが交流20Vだったので、両区間を絶縁レールを挟んで接続し、車両は国鉄401系で、TcMM'Tcの4両固定編成(全長1m)。

    直流区間ではMのパンタグラフから集電してリレー1がONとなり、普通にモーターを駆動て走り、絶縁区間ではリレー1がOFF、M'内蔵の9Vバッテリーで25㎝の絶縁区間を通過、交流区間で再びMのパンタが感電すると、交流リレー2がON、ブリッジ整流ダイオードを通り整流された直流が、独メルクリン社製の逆転スイッチ(元々は交流をオンオフごとに逆転させるリレー)を介してモーターを駆動した。もちろん、ちっぽけな弱電の模型では、周波数など無視できた。