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架線の張力

架線の張り方

架線の仕組みについて

電気鉄道に電気を供給するための方式の日欧の違い、といえば、普通は地下鉄の、サードレールや第四軌条を先に挙げるべきですが、後回しにします。

このページでは、線路の上空の電線からパンタグラフで集電する方式（架空式）の、架線に関する相違について紹介します。

この架線についてはいろいろな呼び名があるため、まず呼び名について紹介します。

架線をよく見ると、２〜３本の電線が線路上空に張られています。この中で、パンタグラフと接触する電線のことを「トロリ線」又は「電車線」と呼び（ここでは「トロリ線」とします）、トロリ線を吊り下げている線を「吊架線」といいます。
このページで紹介したいのは、トロリ線の張り方（張力）です。
　トロリ線や吊架線をつないだり、架線柱やこ線橋から吊り下げている金具類は「電車線金具」と呼ばれます。これらトロリ線、吊架線、電車線金具をひっくるめて「架線」と、ここでは呼びます。

架線（トロリ線＋吊架線＋電車線金具の一式）について、日本でも「カテナリ（Catenary)」とよぶ場合もあり、またトロリ線だけをカテナリ線という場合もありますが、これはイギリスやアメリカ式です。

ドイツやフランスでは架線についてはOverhead Contact System(OCS)と総称します。最近ではイギリスでもOverhead Equipment(OHE)と呼ぶようです。このように「Catenary」の使われ方は、海外案件においては指す範囲が紛らわしくなっています。

架線は、車両との接点となる重要システムです。自然環境が厳しい風土の日本での効率的・安定的な電力供給を行う製造技術の発展については、架線メーカー団体「社団法人電車線工業会」が行っていましたが、新線建設や電化工事が少なくなった世相により、2003年以降は一般社団法人日本鉄道電気技術協会電車線部会が、架線の製造技術の発達を引き継いでいます。

 

【図1】トロリ線（JR線)

 

写真がちょっと見ずらいですが・・・、図2はトロリ線（上）と吊架線（下）の断面です。

トロリ線は、真円ではなく、金具で掴むための溝がついているためひょうたんのような断面になっています。最近ではトロリー線を温めて、霜や着氷を溶かすために発熱する線が入っているトロリ線もあります。
一方、吊架線にも電気は流れますが、強度重視で鋼線をより合わせた撚（よ）り線が用いられています。

【図2】トロリ線と吊架線の断面　（東武博物館展示物）

トロリ線の技術

引き続き、技術紹介を進めます。

トロリ線には、電気をロスが少なく遠くまで流せる性能（導電性）が必要です。

また、架線柱を装柱として吊り下げますので、その中間点でもトロリ線は平滑に張られていないとならない点も重要です。もし平滑でないとパンタグラフの離線による集電性の悪化や、最悪架線溶断事故を招きかねないためです。そのためトロリ線にはパンタグラフによって高速に押し上げられても位置が変化せず、平面性を保てる強度と構造が必要で、高速運転される路線ほど高い位置精度が求められます。また、気温上下時にも緩まない特性が必要です。そのため、日本、欧州とも、導電性が高い点から銅の合金が選ばれています。

トロリ線の平面性を保つためには、架線の両端又は片側（※短い場合）において、図3、図4や、図1にも写っているようなばねやおもりの重さを使って、張力を自動的に調整する装置が使われます（短い側線など、場所によっては手動調整するものも使われます。念のため）。これらによりトロリ線をピンと引っ張りつつ、気温変化や経年劣化によりトロリ線が伸び縮みしても、程よい力で引っ張り続けることができるようにします。ばね式では、華奢な見た目に反して大体20年〜30年の耐用寿命をもっており、日常の気温変化から十年単位のクリープまで対応できるよう、強さの異なるばねが組み合わされて使われています。

日本の在来線や新幹線では800m間隔ほどで設置されていますが、海外(欧州)の鉄道ではちょっと長い1,200m〜1,600m間隔でこのような張力調整装置が架線柱を装柱として取り付けられています。

日本でのトロリ線の材料

トロリ線や吊架線の材質選定も集電性能上重要です。

日本では強度を高めるため、八戸以北の東北新幹線、長野以北の北陸新幹線ではクロム−ジルコニウムにより強化した銅合金を用いる「PHC（析出強化型銅合金、Precipitation hardened Copper Alloy Trolley Wire）架線」が用いられています。また、日本の在来線ではSE架線がトロリ線として広く使われています。
　台湾高速鉄道では、GT-SN-W170mm^2、運転速度の速いTX（つくばエクスプレス線）ではGT-CS110mm^2を9.8kN×2（約1000km重を両側）を用いています。

新幹線では、架線、トロリ線とも標準張力19.6kN（※約2000kg重。標準ですので、曲線部では弱めたり、強める箇所もあります）をかけています。この標準張力の違いがこのページのメインの話題になります。

欧州でのトロリ線の材料

欧州の鉄道路線の場合、トロリ線は日本同じく銅に、スズ、マグネシウム、銀等を加えた合金の中から、導電率や必要とされる張力に合わせて素材を選んで用いられていますが、銅の合金である点は変わりません（EN50149に規定されています）。
　ドイツ国内の高速鉄道線ではCuMg0.5 120mm^2（Re 330）が標準的に使われています(表2参照）。

 

【表2】欧州（高速鉄道線）のトロリ線の標準張力
種類 材質 標準張力
Re 200
(200km/h路線）		 Cu 10kN
Re 250
(250km/h路線）		 CuAg 15kN
Re 330
(330km/h路線)
※300km/hで営業		 CuMg 27.2kN
SNCF Sn
※300km/hで営業		 CuSn 27.5kN

トロリ線の張力調整

トロリ線や吊架線は金属ですので、時間が経つことによるクリープ伸びや、パンタグラフが何十万回も通過することで伸ばされる弾性伸びがおき、何もしないと徐々に弛んでしまいます。そのため、前述のとおり、自動的に適正な張力をかけることができる張力調整装置が使われます（側線では、手動で調整する調整器も使われています。）。

日本の場合

　

図3や図4は、自動張力調整装置です。自動張力調整装置は、曲線部や引き込み線等、引止区間長が短いトロリ線の場合、片側にだけつけます。
　本線上では昔の手動の調整器から自動張力調整装置への置き換えがかなり進んでいますが、それでも手動の調整器も見かけることがあります（架線柱に取り付けているような見た目です）。

 

【図3a】新幹線の張力調整装置（東北新幹線）
【図3b】在来線の張力調整装置（JR京浜東北線）

図3aは新幹線（東北新幹線）のものです。3段になったばね鋼により、この場所では標準張力（19.6kN、2000kg重）をかけ続けつつ、気温変化による架線の伸びの変化にも対応しています（日本の環境では、15％くらいの張力変動に収まるように調整されています）。

上の図3a中の「ヨーク」は、二股に分かれることで架線と吊架線の2本を１つの自動張力調整装置により引っ張るための部品です。このページにて後述します。

下の図4、図5は在来線用の自動張力調整装置です。
　図5のものは架線が切れた場合におもりが落ちないようにするためのストッパ付き（大きな滑車の周囲のギザギザ）です。列車運転本数の多い都市部の大手民鉄線の区間では使われています。図7の欧州（ベルギー）の滑車のギザギザも回り止めです。

【図4】滑車式自動張力調整装置（愛知環状鉄道）
【図5】滑車式自動張力調整装置（東武鉄道）

架線の位置は、列車の振動や締め付けのゆるみによって、何もしないと時間が経つにつれて少しずつずれてしまいます。

在来線ではパンタグラフの摺動状況を巡視によって目視し、ずれの生じた場所を修正していく方法が一般的です。新幹線や在来線の一部ではレーザーで架線の位置を測定・監視する装置も使われています（図6)。

【図6】架線状態監視装置（E235系)

欧州の場合

　

一方、ヨーロッパ（路線による差がありますが少なくともTSI適用路線では）、前掲の表2のように、日本よりも強い張力をかけています。一般に張力調整装置は一見小型ではありますが、この中に動滑車が入ることでおもりの重さによる引っ張り力を2倍に増して、トロリ線を引っ張る構造になっています。

　

また、高速鉄道線では日本と同じようにレーザーでトロリ線とパンタグラフを検測する車両が定期的に走行していますが、山手線のような一般旅客車両にこのような装置はつけている例は現状無いと思います。

　※すみません、写真が取り出せない（昔、展示会で写真をとらせていただいたのですが・・・）ため、メーカーさんのサイトのパンフレットp10(GALLAND社さんのJG2379)をご覧ください。

【図7】張力調整装置（欧州各地）

上の図7では、滑車が上下に2つ並んで写っています。この点ついては後述します。欧州の高速鉄道線では、トロリ線と吊架線を別々に引っ張ることが義務付けられているためヨークが使われません。

高速鉄道線以外では、最近では強いばねを使用し、小型なのにトロリ線と吊架線の両方を１台で引っ張れるほどのものもあるようです。自分で撮った写真がないため、メーカーさん（Thorne & Derrick社さんのTENSOREX）のパンフレットへのリンクを貼ります（p16です）。


余談：情報の開示について

上述のように、適切な写真が無いものはメーカーさんのパンフレットにリンクを張らせていただいておりますが、欧州系のメーカーさんのパンフレットには製品構造、適合規格が書かれておりますし、製品の内部構造もかなりしっかりした図が載せてあり、こうした情報を公開していただいていることには感謝しております。
他方、日系のメーカーさんの場合には、展示会や、面談時には技術情報が掲載されたかなり力の入ったパンフレットをいただけますけれど、インターネット上からは同じレベルの情報は得られないことが多いように感じています。

アジアの国の鉄道事業者さんは、インターネットで技術情報を収集されているようで、見かけた製品について、日本から派遣されているJICA専門家に意見を聞いてこられることがあります。
　展示会で配布できるのでしたら、その情報は海外の鉄道事業者さんが見られるインターネット上にも出しておいていただけないものかと思ってしまうのですが、難しいのでしょうか。

日本と欧州での張力の違いの理由

300km/h運転の路線で、欧州の鉄道路線でトロリ線の張力が高めな理由はいくつかあります。

架線柱間隔

　　

まず（旅行中に見ていても感じる点でもありますが）架線柱間隔が日本より長いことがあります。比較できるようないい写真がないのですが、日本では風が強い地域でもない限り50mほどですが、欧州では65m〜70m前後が直線区間における架線柱の標準間隔になっています。張力が高いほうが振れ留めになります。

欧州ではパンタグラフの押上力が強いことも挙げられます。これは、前述のとおりパンタグラフの追随性を高めて集電性能を上げるためですので、交流では350N、直流では400Nが最大値です。 架線はこの押上力に負けない必要があります。日本の場合には、パンタグラフによって70mm（在来線の場合）ほどの押上力は想定されていますが、最大の押上力は特に規定していません。

集電性能の確保

もっとも理由として大きいのは、集電性を保つ考え方の違いです。
　EN 50367「パンタグラフと架空線の間の両立性に関する基準」という欧州規格は、架線構造とパンタグラフの相性に関する性能要求を規定しているもので、ENE TSIからも引用されている規格なのですが、この規格において、列車の最高運転速度は、列車が動くことでパンタグラフが起こす波動（トロリ線の揺れ）の移動速度（波動伝搬速度、Wave propagation speed）の70%以下であることを要求しています。波動伝搬速と列車の運転速度が近いと、架線に生じた波が列車の集電性を悪化させる、と考えているわけです。

波動伝搬速度は、トロリ線の張力が高いほど（ピンと張られるほど）速くなる性質がありますので、欧州の高速鉄道線ではトロリ線に非常に強い張力をかけることで、運転速度を速く設定できるようにしています。

一方日本でも、トロリ線の波うちについては動的な解析を行っていますが、日本の場合には、小型で集電性が高く、かつ、騒音を生じないパンタグラフを開発・使用することで解決しています。

日本のトロリ線について手元で計算すると、波動伝搬速度の70%超で運転されています（架線の密度は無視しています）が、追随性が高いパンタグラフなので、問題とならないわけです。例えば、ドイツのRe330（CuMg）では、波動伝搬速度は約420km/hで、その70%である約300km/hを列車の運転速度としています。欧州では架線の張力で乗り切っているといえそうです。

引っ張り力の上限値の算出の有無

架線は金属ですから、引っ張りすぎると切断していまいます。欧州ではこの金属の物性による限界値も算出することがENE TSIでは規定しています。日本の場合には経験値です。

ここまでの話を一旦まとめると、物性的な引っ張り力の上限値と、集電性能（波動伝搬速度や押上力への対抗）から下限値を求め、その中で自動張力調整装置により実現できる引っ張り力から妥当な値にするのが欧州の方法です。一方、パンタグラフの高性能化で解決しているのが日本の方法です。

架線構造の妥当性の検証方法の違い

ここからは架線構造の妥当性の評価方法の違いについて紹介します。

前述の列車のパンタグラフが作り出す波の波動伝搬速度は、実測できなくはないのですが、一般的にはコンピュータシミュレーションによる解析値を用います。

エネルギーTSI（ENE TSI)では、車両と架線（インフラ）の相互運用性のうち架線の試験方法について規定しております（6.2.4）。パンタグラフによる押上力への耐性、平均有効電圧、回生ブレーキとの適合性といった、車両との相性について評価する方法についても規定されておりますが、欧州では列車の運転頻度は日本よりは低いものの、オープンアクセス政策がとられていますので、様々な車両が乗り入れてくる（※ちなみにヨーロッパには貨物列車運送会社が無数にあるため「Go貨物」と呼んでいます）ことから、その路線を走行する車両が特定できません。

そのため、TSIの標準型の複数のパンタグラフに対して評価試験を、シミュレーション又は試験による互換性の調査を行うことを規定しています。

欧州案件では、性能の目安値のような目標を示しはしますが、その適合性はメーカーが立証することがあります（なぜそれでいいのか、という立証書類は膨大になりがちです）。しかし架線については比較的、評価に用いる手法が割合決められています。

例えば前述シミュレーションについてもなんでもいいのではなく、EN 50318:2002に適合したシミュレーションツールを使用することが規定されております。欧州地域ではTSIが適用されますから、SCADA（電力システムの遠隔制御システム）では動的解析方法に関してはEN50318に適合するシミュレーションツールによって行わなければならず、かつ、EN50317に規定された項目に適合することが必要になります。鉄道製品のソフトウェアとして一般的なIEC 62279（EN50128:2018）に基づく評価だけでは不十分です。

・このように、様々な標準があるほうが分かりやすくてよさそうですが、副作用もみられます。

まず、新しい技術開発に消極的になります。新製品は既存のルールに当てはまらないリスクがあります。

また高電圧がかかる架線による感電事故防止のため、駅ホーム上やこ線橋上の公衆との離隔距離を保つ必要があり、これもTSIや欧州規格で、場所、電圧別に必要な離隔距離が規定されている（EN 50122-2、IEC 62128)のですが、英国のような古い路線を持つ国では、鉄道を電化したくても、線路の上部に安全なクリアランスを保ちながら架線を張る余地がなくコスト高となる事象も生じています。これら副作用は、標準化につきまとう永遠の課題です。

一方日本では、ある路線用の架線について試験をしようとする際には、この路線の車両のパンタグラフを調べてそのパンタグラフが１日に何個が、どのくらいの速度で通過するかを算出し、架線工場での試験機によって５万回、１０万回等の試験回数をこなして評価をすることを行いますので、路線最適化を図ることができます。

しかし、この試験方法は鉄道事業者さんが決めており、特に統一されたやり方はありませんので、なぜそのパンタグラフ、その架線構造でよいのか、という客観的な説明を行おうとすると、大げさに言えば学術論文のような説明が必要になります。

架線とパンタグラフの相互作用に伴う離線や接触力の限度を規定した、IEC62486:2010という国際規格もあり、この国際規格には日本の集電システムの評価値も反映されている（対応するJISも完成しています）のですが、海外に売り込もうとしている日本の架線がIEC62486に適合している、と断言できるかどうかが不明ですので、交渉の結果海外で建設される鉄道路線の架線に関しては、欧州の規格で建設されることが多くなっています。

このように規格がないことで海外への説明には苦労しますが、その反面、日本の良さとしては、運転速度に合わせて架線の位置管理に必要なメンテナンス精度が分かり、それを可能とするための、その路線に最適なトロリ線材料や架線構造を決めることができますので、積極的に研究開発が行われています。

 

ヨークの使用可否

先述の図7（ベルギーの高速鉄道線（タリスの運行区間）の例）では、吊架線とトロリ線は、別々の自動張力調整装置で引っ張り力を与えています。ヨーロッパの高速鉄道線ではこのように、別々に張力を与えることがENE TSIによって義務付けられているためです。

確かに、使われている金属の種類もピンと張る必要性も違うので、別々のほうが技術的にはよさそうですが、しかしながら不経済になってしまいます。

日本の新幹線では前述の図２のようにヨークで二股にしていますが、日本でも民鉄線では別々に引っ張り力をかけているものを場所によっては見かけます（下図8）。

【図8】ヨークを使わない自動張力調整装置（小田急電鉄線）

架線と車両の両立性

架線と車両（パンタ）については、似た番号の規格が入り乱れているため、このページで紹介している事項に関係している規格を整理しました。

規格 最新版 規格タイトル ENE TSIから
の引用		 対応国際規格
（版はズレています）
EN50163 2004年 動力用電源の供給電圧 引用 IEC 60850:2014年
EN50119 2020年 動力用架空線 引用(2009年版） IEC 60913:2013年
EN50317 2012年＋2021年A1 パンタグラフと架線の動的相互作用の測定値の検証の妥当性 引用(2012年版) IEC 62846:2016年
EN50318 2020年 パンタグラフと架線の動的相互作用のシミュレーションによる検証の妥当性 引用(2012年版） なし
EN50367 2020年＋2021年A1 パンタグラフと架線の相互作用の技術的条件 引用(2012年版） IEC 62486:2017年
EN50388 2012年 動力共有と車両のインターオペラビリティ性確保に必要な技術要件 引用 IEC 62313:2009年
※A1は、Amendment（微修正）1、の意味です。

まとめ

内容がかなり錯綜してしまいました。

要は、欧州では架線に限らず必要性能だけを仕様書に記載し、数値的には目安値だけ記載する（適合している立証はメーカーに委ねる）ことが行われるのですが、架線の場合はEN規格により検証するシミュレーションソフト等、ある程度決められていますよ、ということをご紹介しました。
　また架線とパンタの関係については、欧州の鉄道路線では、集電性を確保するためのEN 50367により、列車の最高運転速度は列車が巻き起こす波動の伝搬速度（波動伝搬速度）の70%以下であることが要求されるなど、トロリ線にかける張力を強くすることで対策されています。

一方日本では、パンタグラフの追随性を高めて集電性能を上げて対応しています。

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