直流電鉄
直流電鉄とは、電力会社の配電から変電所で整流した直流をき電し、車両がレールまたは架線から受電して走行する電化鉄道である。都市圏の地下鉄・私鉄に広く採用され、600～750V級や1,500V級（一部3,000V級）の電圧系を用いる。き電は変電所から正極フィーダで供給し、帰線はレール系統を通る構成が一般的で、高い加減速性能・きめ細かな停車間隔・信号保安装置との親和性が強みである。一方、帰線電流の外方漏れ（迷走電流）による電食や絶縁協調、回生電力の吸収条件など、設計・運用上の留意が多い。
電化方式と定義
直流電鉄は、車両の主回路に供給される電力が直流である点に特徴がある。交流電化に比べ、変電所側で変圧・整流を担い、線路側は比較的低電圧・大電流となるため、電圧降下対策として変電所間隔やフィーダ太さ、セクション配置を最適化する必要がある。
電圧規格と選定理由
- 600～750V級：第三軌条方式や近距離路線で用いられる。機器の小形化と安全余裕が得やすい。
- 1,500V級：日本の地上区間で一般的。電流値低減により損失・断面積を抑えられる。
- 3,000V級：長距離・高出力用途で採用例がある。
選定は走行抵抗、駅間距離、勾配、需要電力、設備更新コストの総合最適で決まる。
集電方式（架空電車線・第三軌条）
架空電車線方式はパンタグラフで摺動集電し、高速・高出力に適する。第三軌条方式は車両側靴で側方または上下面から集電し、トンネル断面の縮小や構造簡素化に寄与するが、降雨・積雪対策や保安柵等の安全設計が不可欠である。
変電所とき電・帰線系統
変電所はAC受電し、変圧器と整流器（ダイオード、サイリスタ、近年はPWMコンバータ）でDCを生成する。正極フィーダとセクションスイッチにより区分き電し、帰線はレール・帰線用ケーブル・負き電線で構成する。レール継目の低抵抗化、軌道回路との両立、き電線路の保護協調が重要である。
車両主回路の発展
直流電鉄の車両は、直流直巻電動機＋抵抗制御からチョッパ制御を経て、現在はVVVFインバータ（IGBT）で三相誘導電動機またはPMSMを駆動するのが主流である。効率向上、回生制動の拡張、保守削減、騒音低減が得られる。
回生ブレーキと電力吸収
回生制動では車両が発電機となり、直流き電線へ電力を返送する。同期受電する列車や回生吸収装置（SIV負荷、変電所側の回生インバータ）がないと回生失効し、抵抗器での発熱消費（発電ブレーキ）へ移行する。ダイヤ設計と電力設備の協調が鍵となる。
迷走電流・電食とEMC
帰線の一部が土壌・構造物へ漏洩すると、パイプラインや橋脚の金属に腐食（電食）を誘発する。対策として、レール絶縁強化、帰線ケーブルの併設、排流器・排流装置、保護電位の監視、信号・通信への電磁両立性（EMC）確保が行われる。
保安・絶縁協調と保守
地絡保護、過電流・過電圧保護、セクション切替、避雷器の配置を体系化する。沿線設備のクリアランス、支持物の絶縁階級、汚損環境での漏れ電流管理、活線近接作業の手順標準化、状態監視（温度、振動、部分放電）を計画保全に組み込む。
適用領域と特徴
直流電鉄は駅間の短い都市鉄道で加減速・停車頻度の多い運用に適し、回生制動の効果が高い。交流電化に比べ変電所間隔が短くなりやすいが、需要の集中する大都市圏では総合効率が高い運用を達成しやすい。
設計指標の例
- 電圧降下許容、短絡容量、変電所間隔、フィーダ断面、レール抵抗
- 回生受電率、力行・惰行・制動配分、ピーク電力抑制
- EMC/接地設計、保護協調、保全性（MTBF/MTTR）
歴史と事例
世界の大都市圏で早期に普及し、日本でも私鉄・地下鉄の骨格として定着した。電力変換器・高効率電動機・監視制御（SCADA）の進歩により、エネルギーマネジメントと信頼性が継続的に向上している。