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J鉄局の珍車ギャラリー

国鉄 401系交直流電車

ギャラリー

「元祖、近郊形」
　 国鉄 401系交直流電車

401系が活躍していた常磐線について、
まずお話ししたいと思います。

常磐線は東京から仙台まで千葉県の松戸・我孫子、茨城県の取手・水戸、福島県のいわきなどを経由して結ぶ路線です。
1898年の全通以来、東北本線のﾊﾞｲﾊﾟｽとして機能してきました。
東北本線へは奥羽本線や信越本線などからの直通列車が数多く乗り入れてきます。
対して常磐線は上野と仙台以北との往来に絞れたことから、
仙台以北に直通する列車の多くが常磐線を経由して走るようになりました。
1958年に登場した「はつかり」も、当初は常磐線経由で設定されました。
東北本線の仙台電化が1961年になされ、複線化も進むにつれ、「はつかり」など昼行列車は東北本線経由となりましたが、
夜行列車については、通勤時間帯に首都圏の東北本線に入線することや、信越本線、奥羽本線などへの直通夜行列車がこちらに多数設定されていたことから、仙台以北に直通する夜行列車は、なお常磐線経由が主力でした。
一方で、常磐線は取手以南で首都圏への通勤輸送の役割も担います。
綾瀬 - 取手間は急行線(快速線)と緩行線の線路別複々線となっており、緩急分離運転を実施しています。
その重要性からして
なぜ本線と称されなかったか不思議でならない路線です。

さてその常磐線が全線電化されたのは、1967年です。
東北本線同様、区間により電化方式が異なりますが、
直流区間は、東北本線（上野-黒磯間）の163.3kmに対し、常磐線（上野-取手間）は39.2km、と１／４以下です。
なぜでしょう。
それは、茨城県石岡市柿岡に地磁気観測所があって、
この周囲では法令上の規制により
直流電化ができなかったからです。
交流電化は地磁気観測に与える影響が少ない
ということもあって、
取手以北の常磐線（＋水戸線）は交流電化を採用することになりました。
関東鉄道が非電化なのも、
つくばエクスプレスの みらい平 以北が交流なのも
同じ理由です。

東北本線，黒磯駅では、直流・交流区間を直通運転する列車に対し，
直流電気機関車と交流電気機関車を付け替えて客車列車を運行してきました。
これでは駅での停車時間が長くなってしまいます。
常磐線ではデッドセクションを設け、高速で通過する方法をとりました。
そのためには交流、直流 双方で運行できる車両が必要です。
そこで開発されたのが，EF80形であり401系です。

ここで交流電化のメリット、
デメリットについてお話しします。

交流電化のメリットは、
地上設備の数を直流電化に比べて削減できることです。
架線へ電力を供給する変電所は、設置や維持に多くのコストが掛かります。
鉄道事業者としては数を減らしたいところです。
しかしながら、直流の場合、変電所から遠く離れてしまうと電力が電車へ届くまでにかなり減衰してしまうのです。
というわけで、架線には、わずかですが抵抗があります。
ですから変電所から電車までの距離が長ければ長いほど損失が生まれてしまうのです。
これを減らすのには単純に電圧を上げればよいということになります。
とはいえ、超高電圧の電力に耐えられるモーターはそうそうありません。
高電圧を降圧するにしても直流のままでは鉄道車両に搭載することは難しいのです。

そこで交流です。
20000ボルトのような高電圧であっても、
交流であれば変電所から離れた場所まで低損失で電力を送ることが可能となり、直流電化よりも変電所を削減できます。そして比較的単純な構造の変圧器でもって鉄道車両に適した電圧へ降圧できます。

交流電化にはデメリットもあります。
変圧器は重いのです。
交流車両にはこれ以外の機器も別途搭載せねばなりません。
車両の重量のみならず製造コストも増加するということから、東京や大阪など多くの車両が必要な都市部では、
車両の製造コストを下げられる直流が主流となり、
地方では、車両が高価となることと引き換えに、
地上設備のコストを下げられる交流電化を採用することになるのです。
ですから首都圏のそれも100km以内は直流電化にしておきたいところです。
地磁気観測所がなければ、水戸か勝田あたりにデッドセクションあるいは黒磯に相当する地上切替駅を設置し、
以南を直流電化にしていたのではないでしょうか。

双方の電源方式に対応した「交直両用車両」は、双方の電化路線を走れる一方で、両方式に対応した機器・回路を持つために、直流専用車よりも高価なのはもちろん、交流専用車以上のコスト高を覚悟せねばなりません。
長距離を走行する優等列車に交直流電車を投入するのは致し方ないことですが、
国鉄は1960年、取手-勝田間を交流電化開業する常磐線のために普通列車用の401系交直流電車を先行投入しました。
（4連×25編成＝100両）
普通列車用なんですね。でも、
取手駅を越えて普通列車を利用する乗客数は黒磯駅を越えて普通列車を利用する乗客数のいったい何倍でしょうか…。
401系の登場を待たずとも、
比較の対象にすらならないですね。
取手駅を交直セクションに定めたその時から、
ここを通過する電車は交直流電車でなければならなかったのです。

401系には421系という双子の姉妹がいます。
1960年の山陽本線小郡-下関間の直流電化開業と鹿児島本線門司港-久留米間の交流電化開業に合わせて4連×23本が製造されました。
直流区間での性能は401系と変わりありません。
ただ交流区間の周波数は60Hzなので変圧器が別設計で交流区間の出力は401系の715kWに対し421系は700kWとなっています。車体も同じです。

1957年1月、国鉄は鉄道管理局を再編、
九州島内の管理局は広島局と統合、
西部支社として編成しました。
直通運転を増やすなどして、
関門トンネルを活性化の核にしようとしていた、
当時の国鉄の意欲が感じられます。
もし常磐線の交直セクションが首都100km圏外だったとしたら、日本初の交直流電車は421系だったかもしれませんね。

でも、もしそうなれば、
その車体はキハ58系のような車体だったような気がします。
両開き3ﾄﾞｱｾﾐｸﾛｽｼｰﾄという近郊形のレイアウトは、北千住で、日暮里で、あふれかえる乗客を短時間で捌かねばならぬ常磐線だからこそ生まれたのだと私は思います。
当時、常磐線では片開き4ﾄﾞｱﾛﾝｸﾞｼｰﾄの72系が大活躍でした。
ちなみに近郊形は10の位が0ではなく1です。
実のところ401系は101系と同じ土俵で生まれました。
なんと401系の主回路機器は101系がベースです。
交流区間での脈流対策は施されていますが、
主電動機はMT46Aを改良したMT46B
主制御器も同様、電動カム軸式のCS12系
（401・421系はCS12B）
主抵抗器も同様に強制風冷式のMR61を搭載します。
しかし、101系と同じレイアウトにしなかったのは、
英断だったと思います。

401系は常磐線のステイタスをUPしました。
それだけではありません。
そのレイアウトはすぐに直流形となる111系に引き継がれ、113系、115系と発展してゆきます。
近郊形を確たるものにしたのです。
もちろんその進化は交流形においても
403系、423系に引き継がれてゆきます。
近郊形として今も225系、313系とそのスタイルは継承されているわけですが、
401系は60年先に通用する車両のあり方を示したということになるのではないでしょうか。
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