25 kV AC鉄道電化

25キロボルト(kV)の交流電流(AC)を使用する鉄道電化システムは、特に高速鉄道で世界中で使用されています。通常、標準の商用周波数(通常は 50 または 60 Hz) で供給されるため、牽引変電所が簡素化されます。25 kV AC 電化の開発は、商用周波数の有効利用と密接に関係しています。   

この電化は長距離を走る鉄道や交通量の多い鉄道に最適です。第二次世界大戦前にハンガリーとドイツのシュヴァルツヴァルトで実験が行われた後、1950年代に広く使用されるようになりました。

これまで導入されなかった理由の 1 つは、固体整流器と関連技術が開発される前は、小型で軽量な適切な制御および整流装置がなかったことです。もう 1 つの理由は、橋の下やトンネル内で必要なクリアランスが拡大したことで、通電部へのクリアランス拡大のためには大規模な土木工事が必要でした。既存の荷重限界がもっと大きかった場合、これはそれほど問題ではありませんでした。

旧式の低容量直流システムを使用している鉄道では、新しい高速線路に 3 kV DC/ 1.5 kV DCではなく25 kV AC を導入済みまたは導入中です。

公益事業周波数システムが初めて運用され、定期的に使用されたのは1931年のことで、テストは1922年から行われていました。このシステムはハンガリーのカールマン・カンドーが開発し、 50 Hzで16 kVの交流、非同期牽引、調整可能な数の（電動機）極を使用しました。テスト用に最初に電化された路線はブダペスト–ドゥナケシ–アラグでした。完全に電化された最初の路線はブダペスト–ジェール–ヘジェシャロム（ブダペスト–ウィーン線の一部）でした。^[1]カンドーの解決策は将来への道を示していましたが、ハンガリー国外の鉄道事業者はその設計に関心を示さなかった。

このシステムを採用した最初の鉄道は、1936年にドイツ国鉄によって完成し、フライブルクとノイシュタット間のヘルレンタール鉄道の一部を20kV 50Hz交流システムで電化した。ドイツのこの部分は1945年以降フランス占領地域となった。1951年にドイツのシステムを調査した結果、SNCFは南フランスのエクスレバンとラロッシュシュルフォロン間の線路を電化した。当初は20kVだったが、 1953年に25kVに転換した。その後、25kVシステムはフランスの標準として採用されたが、パリ南部のかなりの区間がすでに1.5kV直流で電化されていたため、SNCFはいくつかの主要な新しい直流電化プロジェクトも継続し、1960年代にデュアル電圧機関車が開発されるまで続いた。^{[2] [3]}       

これまで商用周波数を使用した電化が広く採用されなかった主な理由は、列車に搭載可能な水銀アーク整流器の信頼性が低かったためです。これは、直流直巻モーターを使用する必要があることにも関係しており、そのためには電流を交流から直流に変換する必要があり、そのためには整流器が必要です。1950 年代初頭まで、水銀アーク整流器は理想的な条件でも動作が困難であったため、鉄道機関車での使用には適していませんでした。

AC モーターの使用は可能でした (実際にいくつかの鉄道会社が使用し、さまざまな成功を収めました) が、牽引目的には理想的な特性ではありませんでした。これは、周波数を変えずに速度を制御することが困難であり、速度を制御するために電圧に依存すると、任意の速度で理想的ではないトルクが発生するためです。このため、DC 直列モーターは電圧で制御でき、ほぼ理​​想的なトルク対速度特性を持つため、1990 年代まで牽引目的の最も一般的な選択肢でした。

1990年代には、より軽量でメンテナンスの少ない三相交流誘導モーターが高速鉄道で使用され始めました。N700新幹線では、3レベルコンバータを使用して、25kV単相交流を1,520V交流（変圧器経由）、3kV直流（サイリスタ付き位相制御整流器経由）、最大2,300V三相交流（パルス幅変調IGBTを使用した可変電圧、可変周波数インバータ経由）に変換し、モーターを駆動します。回生ブレーキの場合は、このシステムが逆に機能します。

25 kVの選択は、電圧とコストの関数としての電力伝送効率に関連しており、供給電圧のきちんとした比率に基づいているわけではありません。特定の電力レベルでは、電圧が高いほど電流は少なくなり、通常は効率が向上しますが、高電圧機器のコストは高くなります。25 kVが最適値であることがわかりました。電圧を高くしても効率は向上しますが、より大きな絶縁体と構造物からのより大きなクリアランスが必要になることで発生するコストの増加に比べると、それほど大きな差はありません。

短絡を避けるために、高電圧を湿気から保護する必要があります。過去には、 「間違った種類の雪」などの気象現象が故障の原因となったことがあります。気象原因の例として、2009年12月に英仏海峡トンネル内でユーロスター列車4本が故障した事件がありました。

25 kV AC 電化の電力は、通常、三相送電システムから直接供給されます。送電変電所では、降圧変圧器が高圧電源の三相のうち 2 相に接続され、電圧を25 kVに下げます。その後、数キロメートル離れた線路脇にある鉄道フィーダ ステーションに送られます。フィーダ ステーションの開閉装置、およびフィーダ ステーション間の中間にある線路区分室では、1 つのフィーダ ステーションがグリッド電源を失った場合に、隣接するフィーダ ステーションから架空線に電力を供給するための切り替えが行われます。

高電圧電源は2相のみ使用されるため、各フィーダーステーションを異なる相の組み合わせに接続することで位相不均衡を修正します。列車のパンタグラフが位相がずれている可能性のある2つのフィーダーステーションを橋渡しするのを避けるために、フィーダーステーションと線路区分室に中性セクションが設けられています。SVCは負荷分散と電圧制御に使用されます。^[4]

場合によっては、単相交流変圧器を備えた変電所まで専用の単相交流電力線が敷設された。このような電力線はフランスのTGVに電力を供給するために敷設された。^[5]

25 kV、50 Hz AC を使用した鉄道電化は国際標準となっています。システムの電圧を定義する主な標準は 2 つあります。

• EN  50163:2004+A1:2007 – 「鉄道用途。牽引システムの供給電圧」^[6]
• IEC  60850 – 「鉄道用途。牽引システムの供給電圧」^[7]

許容される電圧範囲は上記の規格に記載されているとおりであり、電流を流す列車の数と変電所からの距離を考慮に入れます。

このシステムは現在、欧州連合の欧州横断鉄道相互運用性標準 (1996/48/EC「欧州横断高速鉄道システムの相互運用性」および 2001/16/EC「欧州横断従来鉄道システムの相互運用性」) の一部となっています。

この標準に基づいているが、多少のバリエーションがあるシステムが使用されてきました。

60 Hz が通常の電力網周波数である国では、鉄道の電化には 60 Hzで25 kVが使用されます。

• カナダのモントリオール都市圏交通局のドゥー・モンターニュ線。
• 日本では東海道、山陽、九州新幹線（1,435mmまたは4フィート 8インチを使用）+1 ⁄ 2 インチゲージ)。
• 韓国ではKorailネットワーク上にあります。
• 台湾の台湾高速鉄道（1,435mmまたは4フィート 8インチを使用）+台湾鉄道 の電化路線（軌間1,067 mmまたは3フィート6インチで。
• 米国では、北東回廊（ニューヘイブン - ボストン区間）の比較的新しい電化部分、都市間旅客線、ニュージャージートランジット通勤線、デンバー RTD通勤鉄道、カルトレイン、および一部の孤立した短距離線で使用されています。

日本では、東北地方、北陸地方、北海道、九州の既存の鉄道路線で使用されており、北陸地方と九州地方は60Hzとなっている。  

米国の一部の路線は12.5 kV 60 Hzで電化されているか、 11 kV 25 Hzから12.5 kV 60 Hzに変換されています。60 Hzを使用すると、 60 Hz の電力網から直接電力を供給できますが、 25 kV 60 Hz 用の大きな配線クリアランスは必要なく、 11 kV 25 Hz の路線で運行される列車のデュアル電圧機能も必要ありません。例:

• メトロノース鉄道のニューヘイブン線(ニューヨーク州ペルハムからコネチカット州ニューヘイブンまで) (1985 年以降、以前は 11  kV 25  Hz)。

• ニュージャージートランジットの ノースジャージーコースト線、ニュージャージー州マタワンからニュージャージー州ロングブランチまで (1988 年 - 2002 年、25  kV 60  Hz に変更)。
• アムトラック
• SEPTA – 元Reading Railと元Pennsylvania Railの両方。

 英国における初期の 50 Hz 交流鉄道電化では、橋の下やトンネル内のクリアランスが限られている区間を6.25 kV 交流で使用しようと計画されました。車両は25 kVと6.25 kVの自動切り替えが可能なデュアル電圧でした。研究作業の結果、活線と接地された機器間の距離を当初考えられていた距離よりも短縮できることが実証されたため、 6.25 kV区間は25 kV 交流に変更されました。

この研究は、クルーの橋の下で蒸気機関車を使用して行われました。機関車の煙突から蒸気を噴射しながら、 25 kV の架空線の一部を橋の接地金属部に徐々に近づけました。フラッシュオーバーが発生した距離が測定され、これを基に架空機器と構造物間の新しい間隔が導き出されました。^[要出典]

より大きな電力を得るために、また変電所間の距離を広げるために、 25 kVが50 kVに倍増されることもあります。このようなラインは通常、相互接続による問題を回避するために他のラインから分離されます。例:

• シシェン・サルダニャ鉄鉱石鉄道（50 Hz）。
• デゼレト電力鉄道は独立した石炭鉄道（60Hz）である。^[8]
• 現在は閉鎖されているブラックメサ・アンド・レイク・パウエル鉄道も孤立した石炭鉄道でした ( 60 Hz )。
• BC鉄道（60Hz）の現在は閉鎖されているタンブラーリッジ支線。 ^[9]

2 × 25  kVオートトランスシステムは、列車に25 kV の電力を供給するが、エネルギー損失を減らすために 50 kV で電力を伝送する分相電力システムです。50 kV システムと混同しないでください。このシステムでは、電流は主にレールではなく架空線とフィーダー伝送線の間で運ばれます。架空線 (3) とフィーダー (5) は逆位相であるため、それらの間の電圧は 50 kV ですが、架空線 (3) と走行レール (4) 間の電圧は 25 kV のままです。周期的なオートトランス (9) は、中性レールからの戻り電流を迂回させ、昇圧してフィーダー線に沿って送ります。      

このシステムは、1972年に日本の山陽新幹線 で最初に導入され、 1981年にはフランスのパリ・リヨン高速鉄道で導入されました^[10]。その後、1988年にニュージーランド鉄道、 ^{[11] 、}インド鉄道、^{[12] 、} ロシア鉄道、イタリア高速鉄道、英国高速1号線、西海岸本線とクロスレールのほとんど^{[13] 、}古い路線の一部が徐々に改造され、^{[要出典]、}フランスの路線（LGV線と他のいくつかの路線^[14]）、スペインの高速鉄道のほとんど、^[15] アムトラック、フィンランドとハンガリーの路線の一部でも使用されています。

2 x 25 システムの起源は、1907 年に電化され、1914 年にアップグレードされたニューヨーク、ニューヘイブン、ハートフォード鉄道の電化アップグレードに遡ります。この路線は当初 11 kV 25 Hz システムで電化され、その後「2 x 11 kV」システムにアップグレードされました (ただし、このように命名されたことはありません)。

鉄道会社は 1907 年の電化を大成功とみなしていましたが、2 つの問題により、送電システムの最終的な再設計が必要になりました。1 つ目は、牽引電力システムの高電流によって、隣接する平行な電信線と電話線に電磁干渉が発生したことです。

2 つ目は、システムの地理的拡大と電気技術の進化により、より高い送電電圧が必要になったことです。鉄道会社はシステム全体の動作電圧を上げるだけで済みましたが、そのためにはすべての架線絶縁体をより高い電位に耐えられるようにアップグレードする必要があり、機関車の高電圧装置をすべて交換する必要がありました。また、最初の電化から 7 年の間により高い送電電圧が一般的になったものの、発電機は経済的な理由から最大出力電圧が約 11 kV に制限されていました。

鉄道会社が数年の研究の末に決定した解決策は、バランス型オートトランスフォーマーシステムだった。^{[16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24]}

フランスでのTGV世界速度記録走行では、電圧が一時的に29.5kV[25]と31kVにまで引き上げられ た^。 [  26 ^]

• アルゼンチンのロカ線（軌間1,676 mmまたは5フィート6インチを使用）。
• オーストラリア： ​
  • アデレード：郊外ネットワークの一部（50 Hz）。
• 独立国家共同体：ネットワークの一部（50 Hz）。
• フィンランド：フィンランドの鉄道輸送（50 Hz ）を参照してください。
• インドの場合：「インドの鉄道輸送」および「中央鉄道電化機構( 50 Hz )」を参照してください。
• スペイン：大西洋軸およびオウレンセとサンティアゴ間のマドリード・ガリシア高線（ 50 Hz ）。
• ポルトガル：ポルトガルの鉄道路線のリストを参照してください（50 Hz）。

• オーストラリア： ​
  • パース: 郊外ネットワーク全体、パースの鉄道を参照( 50 Hz )。
  • クイーンズランド州:クイーンズランド州の鉄道電化( 50 Hz ) を参照してください。
• マレーシア：マレーシアの鉄道輸送（50 Hz）を参照してください。
• ニュージーランド：北島幹線およびオークランド鉄道の電化（50 Hz ）を参照。
• 南アフリカ:南アフリカの鉄道輸送(25 および50 kV 50 Hz )を参照してください。
• 台湾：台湾の鉄道輸送（60 Hz）を参照してください。
• タイ：SRTダークレッドラインおよびSRTライトレッドライン（50 Hz ）を参照してください。
• チュニジア：チュニジアの鉄道輸送（ 50 Hz）を参照してください。

• フランスでは、モンブラン路面電車とシュマン・ド・フェル・デュ・モンテンヴェール：11 kV
• ドイツでは、ハンバッハバーンおよびノルドズードバーン: 6.6 kV

 3kVや25kVなど、複数の電圧で運転できる列車は 確立された技術です。ヨーロッパの一部の機関車は4つの異なる電圧規格を使用することができます。^[27]

• 15kV交流鉄道電化
• 鉄道電化システム一覧
• 回転位相変換器

• キーナー、ギャリー。鉄道の架空線電化。
• ブーコック、コリン (1991)。東海岸の電化。イアン・アラン。ISBN 0-7110-1979-7。
• ギルハム、JC (1988)。電気鉄道の時代 - 1883年以降のイギリスの電気鉄道。イアン・アラン。ISBN 0-7110-1392-6。
• グローバー、ジョン (2003)。イースタン・エレクトリック。イアン・アラン。ISBN 0-7110-2934-2。
• マシュフェール・タッサン、イヴ。ヌーヴィオン、フェルナン。ジャン・ウォマント (1980)。Histoire de la Traction Electrique、vol.1。ラ・ヴィ・デュ・レール。ISBN 2-902808-05-4。
• ノック、OS (1965)。英国の新鉄道：ユーストンからバーミンガム、ストーク・オン・トレント、クルー、リバプール、マンチェスターまでのロンドン・ミッドランド幹線の電化。ロンドン：イアン・アラン。OCLC 59003738  。
• ノック、OS (1974)。Electric Euston to Glasgow。イアン・アラン。ISBN 0-7110-0530-3。
• 英国鉄道電化会議議事録、ロンドン 1960 – 産業用周波数での鉄道電化。ロンドン: 英国鉄道委員会。1960 年。
• セメンズ、ピーター（1991）。東海岸ルートの電化。パトリック・スティーブンス社。ISBN 0-85059-929-6。