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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。

◆ 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。

◇ 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。

◆ 軌道回路の種類

◇ 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。

  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。

  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。

◇ システム構成による分類

  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。

  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。

◇ 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。

  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。

  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。

  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。

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