軌道回路
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軌道回路（きどうかいろ）は、鉄道において線路上の特定区間に列車が存在するかどうかを検知する電気的な装置である。信号装置を動かすために用いる。
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[編集] 原理
軌道回路の基本的な原理は、車両の車輪と車軸が2本のレールを短絡して電気回路を構成することにある。この電気回路に装置を取り付けて列車の存在を検知する。列車がその線路の区間に存在していることを在線と呼ぶ。
軌道回路は保安装置であるので、フェイルセーフであることはとても重要である。保安上、列車が在線しているのに検知に失敗する方が、列車が在線していないのに誤って検知してしまうより危険な状態となる。このため、通常軌道回路は故障すると安全側の、列車が在線を検知している状態になるように設計されている。一方で、列車が在線していると誤って検知することは鉄道の運行を阻害するため、そのようなことができるだけ発生しないようにすることが望ましい。
[編集] 回路の構成
軌道回路は、レールに電流を供給する装置と、レールの間に設置されたリレーによって構成される。各軌道回路は、閉塞の1区間のような、特定の範囲の在線を検知するようになっている。軌道回路の検知区間同士は、後述する無絶縁軌道回路でなければ、お互いに電気的に絶縁されている。
電源を軌道回路区間の一方の端に取り付け、両方のレールの間に電圧を印加する。軌道回路の反対側の端にリレーを取り付ける。列車がその区間に在線していない時は、電源からレールを通じて流れてきた電流がリレーを動作させる（リレーが扛上（こうじょう）する）。列車が在線している時は、その車輪と車軸によってレールが短絡され、電流がリレーに流れなくなる（リレーが落下する）。つまり、リレーが扛上しているか落下しているかが、その区間に列車が在線しているかどうかを表すことになる。
リレーは、電流によって動作するスイッチであるが、重力の働きにより、扛上した状態のままになる故障の確率が、落下した状態のままになる故障の確率に比べて極めて低くなるようにできている。このため、落下した状態が安全側である列車の在線に対応するように設計するのが通例である。
[編集] 軌道回路の種類
[編集] 信号電流による分類
軌道回路によりレールに流される電流は、直流と交流と両方があり、交流では様々な周波数が用いられている。使用場所の条件に応じて使い分けられる。
[編集] 直流軌道回路
直流軌道回路では、レールに流れる信号電流は直流である。絶縁が損なわれた時に隣の軌道回路の電流が流れ込んで誤検知することを防ぐために、通常は隣同士の軌道回路では極性を反転させている。停電に備えて、軌道回路には電池を使用した低い電圧（1.5Vから12V程度）が用いられている。
直流軌道回路は、設備費が安く長い軌道回路を作りやすい。一方で電池の保守の問題がある。また、直流電化区間では電気車の帰線電流が妨害となって適用することができない。さらに近隣の電力使用状況によっても妨害を受けることがある。
[編集] 交流軌道回路
交流軌道回路では、レールに流れる信号電流は交流である。周波数は目的に応じて低周波（数百Hz以下）、可聴周波（数百Hz - 数kHz）、高周波（数kHz以上）など様々である。また、パルス的に電流を流す軌道回路もある。可聴周波のものはAudio Frequencyを略してAF軌道回路と呼ばれている。
商用の交流電源を用いることもあるが、交流電化区間では帰線電流の妨害を受けたり、近隣の高圧送電線の影響を受けたりする。こうした場合、分周器や倍周器、電動発電機（MG）などを用いて、影響を受けにくい他の周波数の信号電流を使用している。
[編集] システム構成による分類
[編集] 閉電路式軌道回路
原理の項で説明したように、列車を検知するリレーには列車が在線していない時に信号電流が流れ、在線している時には電流が流れなくなるようにシステムを構成するのが標準である。こうした回路を閉電路式（close circuit）と呼ぶ。これは電源の故障、レールの破断、ケーブルの破損など、考えうる様々な故障の際にも電流が流れなくなるため、安全のためにそうした故障も在線として検知するように構成されているものである。
[編集] 開電路式軌道回路
閉電路式に対して、列車が在線していない時には電流が流れず、在線している時にだけ電流が流れる方式の回路を開電路式（open circuit）と呼ぶ。開電路式では、電源と検知用のリレーを直列に接続したものを線路の同じ側につなぎ、列車が進入することで車軸が両側のレールを短絡して電流が流れるようになっている。この回路は、どこか1箇所でも故障すると電流が流れなくなって列車を検知することができなくなる。列車を誤って検知することが、検知に失敗することより危険になるような場合には、こうした軌道回路が用いられる。
[編集] 帰線電流路による分類
ほとんどの電気鉄道では、架線または第三軌条から走行用の電力を集電してレールから変電所に戻している。レールを通って変電所に戻る電流を帰線電流と呼ぶ。このため、信号電流と帰線電流を明確に区別する必要がある。さらに、軌道回路境界において信号電流のみを絶縁して帰線電流を流す仕組みが必要となる。
信号電流と帰線電流を区別するためには、双方の周波数を異なるものにすることで対処している。例えば、直流電化区間に交流軌道回路を設置して、リレーが信号電流の周波数のみを検知するようにフィルタ回路を取り付ければ、直流の帰線電流が軌道回路を誤動作させるおそれは少なくなる。また、交流電化区間では交流軌道回路を用いることができないわけではなく、帰線電流と違う周波数を信号電流に使えば使用できる。
軌道回路境界で帰線電流のみを流す仕組みとしては複数の方式がある。
[編集] 複軌条軌道回路
複軌条軌道回路では、両方のレール共に隣の軌道回路との境界に絶縁が行われている。絶縁は、レールのつなぎ目に絶縁板を挟み込むことで行われている。このつなぎ目を絶縁継目という。軌道回路境界を越えて帰線電流を流すためにはインピーダンスボンドが用いられている。インピーダンスボンドにはフィルタ回路が組み込まれており、信号電流の周波数のみを遮断して帰線電流のみを流すようになっている。右の写真では、両側に見える黒い箱の中にフィルタ回路が入っており、信号電流を遮断している。黒い箱同士を結ぶ線が帰線電流を流している。場合によっては、この中間の線に変電所や負饋電線への線を接続して帰線電流を吸い上げている。軌道回路境界のインピーダンスボンドではこのように2つのフィルタ回路の箱を使用することが多いが、フィルタ回路の箱を1つだけ設置して変電所へ帰線電流を吸い上げる仕組みになっている場所もある。
なお、軌道回路境界ではないレールのつなぎ目では、レールの隙間による電気抵抗の増大を防ぐために、レールボンドと呼ばれるワイヤがレールの側面に取り付けられて、信号電流を確実に流すようにしてあることがある。
[編集] 単軌条軌道回路
単軌条軌道回路では、片側のレールにだけ絶縁を行う。信号電流は一方のレールを流れてもう一方のレールを戻ってくるので、片側だけレールを絶縁するだけでも外部への漏洩を防止できる。一方、帰線電流は絶縁されていない側のレールを流れて変電所へ戻る。絶縁されている側のレールを信号側レール、されていない側のレールを帰線側レールと呼ぶ。
[編集] 無絶縁軌道回路
無絶縁軌道回路は、区間により信号電流の周波数を違えることによって区間ごとの絶縁を不要にするものである。隣の区間の軌道回路の電流が流れ込んでも、フィルタにより遮断されるので誤検知することはない。電源からの距離が離れると信号電流が減衰して車軸による短絡を検知できなくなるので、減衰を考慮して検知範囲を設定する。無絶縁軌道回路を用いれば、電気鉄道におけるインピーダンスボンドを不要にすることができる。
絶縁継目は軌道構造上の弱点となっており、破損が発生しやすいため、これを廃止できることは無絶縁軌道回路の長所である。一方で信号電流の減衰によって検知区間が決まるため、絶縁のある軌道回路のようにきっちりと境界を定めることができない。これを境界ボケと呼ぶ。境界ボケが許容できない目的に使う時には、無絶縁軌道回路は使用できない。
Aster SF15型の軌道回路では一方の線路で1700Hzと2300Hz、もう一方の線路で2000Hzと2600Hzの信号電流を用い、これを低周波で変調している。
TI21型軌道回路では以下のような周波数を使用している。
| A | 1699 Hz | 下り線 |
| B | 2296 Hz | 下り線 |
| C | 1996 Hz | 上り線 |
| D | 2593 Hz | 上り線 |
| E | 1549 Hz | 下り線 |
| F | 2146 Hz | 下り線 |
| G | 1848 Hz | 上り線 |
| H | 2445 Hz | 上り線 |
AからDが複線区間で用いられ、EからHは複々線区間用の追加の周波数である。
[編集] 情報送信機能
軌道回路を利用して情報を列車に送信することがある。信号電流に符号（コード）を重畳して送信するもので、コード軌道回路と呼ぶ。コードの重畳には信号波の断続を利用したり、信号電流を用いて変調したりする。主に車両に搭載された車上子でコードを受信して、車内信号を実現するために用いられる。
[編集] 使用
軌道回路は、以下のような目的で使用される。
- 列車の在線状況に応じて自動的に信号機に注意現示や停止現示を出し、列車の追突や正面衝突を防ぐ。
- 停車場構内での列車の位置を検知し、連動装置を動作させて安全を守る。
- 分岐器や跳ね橋などの可動する装置に列車が差し掛かっていることを検知し、列車が完全に通過するまでそれらの装置が動かないように鎖錠する。
- 踏切への列車の接近を検知して踏切警報機と遮断機の動作を開始させ、列車の通過を検知して動作を終了させる。
- 交流電化区間で異なる変電所からの供給区間を分ける異相区分セクションを力行したまま通過できるようにする饋電区分切替セクションにおいて、列車の現在位置に応じて饋電を切り替える。
使用目的に応じて軌道回路の長さや信号周波数は様々に調整される。また、同じ線路の区間で複数の軌道回路を、周波数を違えて設置する場合もある。
踏切を列車が通過したことを検知して警報機や遮断機の動作を終了させる軌道回路では、誤って列車の在線を検知すると列車の通過前・通過中に警報機や遮断機の動作が終了する危険な状態となるため、通常とは逆に開電路式の軌道回路を使用することがある。列車の進行方向が限定される複線区間では踏切の制御回路は単純であるが、単線である場合や単線並列である場合は、列車の進行方向に応じて検知する場所を変える必要があり、複雑な構成となる。さらに高度な仕組みでは、列車の速度や列車種別に応じて列車側から踏切制御回路に情報を送信し、警報の動作開始点を変えるようになっている。ATACSでは、踏切の制御を車上から行えるようになり、踏切制御の軌道回路は不要となる。
饋電区分切替セクションは、新幹線において用いられている。
軌道回路は区間の一方の端から電流を流して反対側の端で検知するので、導体となるレールが破損して信号電流が流れなくなると在線状態となる。事故や災害、保線の不良などによりレールが破断した場合でも自動的に信号機が停止現示となって列車の進入を防ぐことができる点も、安全に寄与している。
保線用車両の中には、信号機の誤動作を防ぐために両側の車輪を故意に絶縁して、軌道回路に検知されないようにしているものがある。こうした車両は信号システムと互換ではないため、使用する際には線路閉鎖を行って他の列車の進入を防ぐ必要がある。また踏切の警報装置が動作しないため踏切の通過には注意を必要とする。
[編集] 回路の故障
たいていの故障では、列車が在線していると検知するように設計されている。
- レールや電源・リレーに関するケーブルが破損するとリレーが落下する。ただし下記の例外を参照。
- 電源供給が絶たれるとリレーが落下する。
- 軌道間の短絡や、他の軌道回路区間との短絡が起きるとリレーが落下する。
一方で、列車の在線検知に失敗する故障もある。
- リレーが扛上（列車が在線していない）した状態に固着して動かなくなるような、物理的な故障をした場合。
- レールの錆や砂、乾いた落ち葉などがレールの上にあり、車輪との間を絶縁してしまった場合。軌道短絡不良（poor shunting）と呼ばれる。
- 線路周辺の環境により、妨害電流が流れ込む場合。例えば湿ったバラストが電池の働きをして電流を発生させたり、近隣の電力線から電流が流れ込んだりする。
- 電気抵抗が十分下がらない程度に車両が軽い場合や、そもそも両側の車輪が電気的に絶縁されている場合。
- レールが破損しても信号電流が流れ続ける程度の場合。
在線検知に失敗するような故障は、結果的に列車が在線している線路に他の列車の進入を許して事故の危険を招く。また踏切の警報機が動作しないという問題もある。このためイギリスでは車軸の検知装置も併用されている。
これらの故障に対処するために様々な手段が用いられている。例えば、リレーはとても高い信頼性を持つように設計されている。雑音電流の問題がある区間では、状況に合わせて雑音に強い軌道回路の方式が選択されている。落ち葉が問題となる区間では速度制限が設定されることがある。軌道短絡不良の問題が発生した場合には、列車を運休にする措置がとられることもある。
破壊工作もまた問題である。1995年のPalo Verdeでの脱線事故では、犯人はレールを取り除いた後に軌道回路の信号電流を通すためのワイヤを接続していた。このためレールがなくなっていることを軌道回路で検出できず、信号機は停止現示に変わらなかった。
[編集] 回路状況の記録と伝送
軌道回路で検知した在線状況は、信号機や分岐器の状況と共に、指令センターの制御盤にまとめて表示されることが多い。軌道回路のリレーを通信回線に接続することで、在線状況を送信することができる。在線情報は制御盤に表示されると共に保存され、事故時の調査に用いられると共に、運行管理上の分析にも用いられている。多くの信号システムでは中央の指令センターでだけでなく各装置ごとに軌道回路の状況記録装置を持っている。
[編集] 軌道短絡器
列車の乗務員や保線係員によって携行される単純な保安装置として軌道短絡器がある。これは2つのクリップとその間をつなぐワイヤからなる単純な道具である。事故や災害が発生した際には、軌道短絡器で両側のレールを短絡することで軌道回路に在線を検知させ、関連する信号機を停止現示に変えることができる。例えば、複線区間で脱線事故が起きて対向の線路を支障した場合、軌道短絡器を対向線路に設置することで、対向列車に対して停止信号を現示することができる。軌道短絡器を設置すると直ちに、そして自動的に停止現示に変えられるので、指令センターに連絡を取って列車を止めてもらうより確実で安全である。
さらに高機能なものとして、照査装置のついた軌道短絡器がある。これには、軌道短絡の電気抵抗が一定以下になっていることをチェックする装置がついている。さらに信号機を制御する信号電流のみを短絡して、踏切制御の信号電流は短絡しないフィルタ機能がついており、踏切の動作に影響を与えない仕組みになっている。
[編集] 歴史
フェイルセーフな軌道回路は、1872年にアメリカの土木技術者、ウィリアム・ロビンソン（William Robinson）によって発明された。彼が軌道回路を発明したことにより、いまや世界中の鉄道で使用されている自動信号システムが可能となった。
当初の鉄道の信号機は、駅の係員や信号扱手によって手動で動かされていた。いつ信号の現示を変化させるかはしばしば扱い者に委ねられていた。ミスによりしばしば不正な現示を出して、事故に繋がった。
19世紀中ごろに電信が発明されて長距離を電気的に情報伝送できるようになり、電気的に制御された信号システムの開発が始まった。しかしながら、ロビンソンの発明以前に開発されたものはどれも、列車の動きに自動的に対応して信号現示を変化させることはできなかった。
ロビンソンはまず、1870年に完全自動の鉄道信号システムの模型を作成してデモを行った。続いてフィラデルフィア・アンド・エリー鉄道（Philadelphia and Erie Railroad）のペンシルバニア州キンズア（Kinzua）で実物大のシステムが導入された。彼の設計したシステムは、信号機の上に電気的に動作するディスクを取り付けたものとなっていた。また設計は、列車が在線していない時に信号電流がなくなる、開電路式であった。
この設計の本質的な欠点は、フェイルセーフではなく簡単に危険な状態になってしまうことであった。例えばワイヤが切れると、列車が在線していても検知に失敗してしまう。この問題を認識して、ロビンソンは現代の軌道回路のような閉電路式のものを設計し、1872年に前述の場所に設置した。これが現代の完全自動化したフェイルセーフな信号システムの元祖である。
イギリスでは、1876年にウィリアム・サイクがクリスタル・パレス駅で軌道回路の実験を行ったのが最初となっている。実用化されたのは1886年で、ロンドンのセント・ポールズ駅に設置されたものであった。
日本においては、1904年（明治37年）に甲武鉄道（後のJR中央本線）の飯田町 - 中野間でアメリカのユニオン・スイッチ・アンド・シグナル社の技術により導入されたものが最初である。
[編集] 事故
[編集] 軌道回路がなかったために起きた事故
軌道回路があれば多くの事故が防げていたと考えられる。軌道回路がなかったために起きたと考えられる事故は以下のようなものがある。
- クインティンスヒル鉄道事故（Quintinshill rail crash）
- ホーズ・ジャンクション鉄道事故（Hawes Junction rail crash）
[編集] 軌道回路の故障により起きた事故
軌道回路の故障により起きた事故も、稀ではあるが下記のように存在している。
- コワン鉄道事故（Cowan rail disaster） — レールの上に砂が載って車輪を絶縁したために軌道短絡不良が起き、不正な進行現示が表示されて追突事故を起こした。
- ビッグ・バヨー・カノー鉄道事故（Big Bayou Canot train disaster） — 霧の中で艀が旋廻橋に衝突し、レールの接続が歪んだが、信号電流は絶たれなかったため信号が停止現示に変わらなかった。直後にアムトラックの列車がレールの歪んだ箇所に高速で進入して脱線し、水の中に転落した。
[編集] 参考文献
- 菱沼 好章「鉄道業務セミナーNo.2 信号保安・鉄道通信入門」中央書院 ISBN 4-924420-61-1
- 江崎 昭「輸送の安全からみた鉄道史」グランプリ出版 ISBN 4-87687-195-7
[編集] 関連項目
[編集] 外部リンク
- 鉄道技術用語辞典 online — 鉄道総合技術研究所が提供する用語辞典。用語検索で「軌道回路」を検索すると、様々な軌道回路の説明が見られる。
- 株式会社テス 軌道短絡器 — 高機能な軌道短絡器。
