日本國鐵EF71型電力機車

EF71型電力機車（日語：EF71形電気機関車）是日本國有鐵道的交流電力機車車型之一，適用於供電制式為20千伏50赫茲的工頻單相交流電的電氣化鐵路，由東京芝浦電氣、三菱電機、三菱重工業製造，在1968年至1973年間共製造了15台。

EF71
保存在新幹線綜合車輛中心的EF71 1號機車
概覽
類型	電力機車
原產國	日本
生產商	東京芝浦電氣 三菱電機、三菱重工業
生產年份	1968年—1973年
產量	15台
主要用戶	日本國有鐵道
技術數據
UIC軸式	Bo'Bo'Bo'
軌距	1,067毫米
輪徑	1,120毫米
軸距	2,800毫米
機車長度	18,500毫米
機車寬度	2,800毫米
機車高度	4,164毫米（降弓狀態）
整備重量	96.0噸（1～13） 100.8噸（14～15）
供電電壓	AC 20kV 50Hz
傳動方式	交—直流電
牽引電動機	MT52 × 6
最高速度	100公里/小時
持續速度	46.1公里/小時
牽引功率	2,700千瓦（小時）
牽引力	21,100公斤（持續）
制動方式	再生制動、空氣制動
安全系統	ATS-S

發展歷史

開發背景

1960年代中期，隨着奧羽本線的運輸量不斷增長，日本國有鐵道研製了帶有電阻制動的EF64型電力機車，投入到奧羽本線福島至米澤間的直流電氣化區段運用，以替換自1951年開始使用的EF16型電力機車。1968年，日本國鐵對奧羽本線米澤至山形區段實施交流電氣化，並將福島至米澤區段改造為交流電氣化鐵路。同時，還將設有交流電氣化試驗段的仙山線全線改造為交流電氣化鐵路。

奧羽本線翻越奧羽山脈的板谷嶺路段，是在日本國內與碓冰嶺和瀬野八並稱的陡坡區間，其中有22公里的33‰連續長大坡道，且存在大量半徑約300米左右的小半徑曲線。在如此大坡度的路綫上，若果列車下坡時頻繁使用踏面制動來控制速度，閘瓦與輪箍長時間摩擦不僅造成嚴重磨耗，甚至容易造成輪箍弛緩的行車事故。因此，適用於奧羽本線的新型交流電力機車必須具有電力制動，保障列車在下坡時的行車安全。

1967年初，日本國鐵在ED93型電力機車（後來定型為ED77型電力機車）的基礎上，成功研製了首台帶有再生制動的ED94型電力機車（後來定型為ED78型電力機車），機車小時功率為1,900千瓦，採用了閘流體四段全控橋式整流電路，以及可變軸重中間轉向架的Bo-2-Bo軸配置。為了儘可能提高奧羽本線的貨物列車牽引定數，在連結器強度限制下的該線列車最大重量需要提高至650噸，但是即使採用ED78型電力機車雙機重聯，其牽引力亦不足以牽引列車通過板谷嶺。因此，根據雙機牽引650噸列車通過33‰上坡道、牽引電動機均衡電流不大於570安培的技術性能要求，日本國鐵在ED94型電力機車的基礎上又研製了EF71型電力機車。

生產批次

1968年，三菱電機、三菱重工業、東芝公司生產了首批11台EF71型電力機車（1～11），以滿足奧羽本線交流電氣化後的牽引需要，生產預算由昭和42年度2次債務承擔。機車主電路採用閘流體六段全控橋式整流電路，在牽引和再生制動時分別以整流和逆變模式工作，通過恆壓控制和勵磁恆流控制系統調節牽引力或制動力。機車採用Bo-Bo-Bo軸配置，小時功率為2900千瓦，運轉整備重量為96噸。

1969年，因應奧羽本線團體專用列車增發的需要而製造了EF71 12號機車，生產預算由昭和43年度5次債務承擔。這批機車增加了防止列車自動停止裝置（ATS）被關閉的警示功能，前窗玻璃改為採用發熱線玻璃並取消了除霜器，部分輔助機械和車體下方設備的佈置也經過調整。

1970年，因應「曙號」臥鋪特急列車的開行而製造了EF71 13號機車，生產預算由昭和44年度3次債務承擔。這批機車增加了自動警醒裝置（EB）、列車緊急防護裝置（TE）；為配合20系客車的AREB電傳操縱空氣制動機，EF71型電力機車亦在車端排障器上方設有KE72H型電氣連接器，用於向旅客列車傳遞電傳操縱空氣制動訊號。

1973年，由於「曙號」列車增加至每天兩對，東芝公司生產了最後兩台EF71型電力機車（14～15）。這批機車與之前相比作出了較大變化，機車上增加了4.8噸壓鐵配重，運轉整備重量增加至100.8噸，平均軸重增加至16.8噸，以提高機車的粘着性能。電氣設備方面，牽引電動機迴路和空轉檢測迴路增加了限流保護控制器，取消車載的諧波濾波器，當機車誤入直流區間時保護主電路的熔斷器亦被廢除。機車外觀方面，採用了較小型的尾燈和供電狀態指示燈，車體正面的司機室通風口亦被廢除，機車編號牌改為採用整塊金屬板樣式。

運用歷史

國鐵時代

EF71、ED78型電力機車重聯牽引「曙號」列車（1987年）

EF71型電力機車落成後均配屬福島機關區（今福島綜合運輸區）並投入奧羽本線運用。1968年9月22日，隨着奧羽本線的交流電氣化改造工程正式完成，EF71型電力機車亦開始在福島至米澤間投入運用，至翌日（9月23日）運用區段進一步延長至山形。同年10月1日國鐵運行圖調整後，ED78型電力機車主要擔當福島至山形間的貨物列車和旅客列車牽引任務，而在福島至米澤間的板谷嶺區段則加掛EF71型電力機車作為補機；但也有部分旅客列車通常以EF71型電力機車作為福島至山形間的本務機車，例如以「津輕號」夜行急行為代表的優等列車。

板谷嶺區段是否需要重聯牽引或者加掛補機主要視乎列車重量而定。ED78型電力機車的單機牽引定數為300噸（最大330噸），雙機牽引定數為540噸。EF71型電力機車的單機牽引定數為430噸（最大450噸），雙機牽引定數為650噸。實際上，以EF71型電力機車的牽引性能而言，雙機重聯時可牽引重達730噸的列車通過33‰上坡道，但為了避免列車在陡坡上因採取緊急緊軔，而造成縱向衝擊太大及連結器損壞的事故，因此將最大牽引定數確定為650噸。

1970年10月，上野至青森的「曙號」臥鋪特急列車開行，為配合20系客車所採用的AREB電傳操縱空氣制動機，所有EF71型電力機車均加裝KE72H型電氣連接器，用於向列車傳遞電傳操縱空氣制動訊號，同時亦增加了自動警醒裝置（EB）和列車緊急防護裝置（TE）。1970年以後，EF71型電力機車在福島至山形間的直通運轉交路亦逐漸增多，奧羽本線上本務和補機的分別已經變得模糊。

然而，對於那些無法自力通過板谷嶺路段的柴油列車列車，仍然需要EF71型電力機車作為福島至米澤之間的補機，例如由Kiha 82系柴油列車擔當的「翼號」特急旅客列車（上野—秋田）。1970年2月，「翼號」列車開始使用新一代的Kiha 181系柴油列車，但由於列車不僅需要自力通過板谷嶺，亦需要在東北本線上野至福島間高速運行，嚴酷的運用條件令列車的傳動冷卻系統頻繁發生故障。

針對「翼號」列車的這一問題，除了對Kiha 181系柴油列車作出相應的改進措施，並且從1972年10月起恢復以往的補機安排，福島至米澤間仍由EF71型電力機車牽引。直到1975年11月，奧羽本線全線完成電氣化改造，「翼號」列車改由485系電動列車擔當以後才不再需要補機。但是若果「翼號」列車因故障或路綫積雪而無法自力行駛時，仍然會使用EF71型電力機車牽引。

1986年2月，運用時間最長的EF71 1號機車首先報廢。

民營化後

1987年4月，國鐵分割民營化後尚存的14台EF71型電力機車由東日本旅客鐵道（JR東日本）繼承，全部配屬於福島運轉所（原福島機關區）。國鐵民營化後初期，EF71、ED78型電力機車仍然在奧羽本線運用，但由於夜行旅客列車和貨物列車逐漸被削減，EF71型電力機車一般只用於牽引通過板谷嶺路段的少數普通旅客列車，這些短編組列車通常由兩三節50系客車組成，使用大功率電力機車牽引顯然是不經濟的。

1990年8月，為配合興建福島至山形的「迷你新幹線」，奧羽本線福島至山形間開始進行軌距拓寬工程，將原本的1067毫米窄軌改造成1435毫米標準軌。同年8月31日起，福島至米澤間暫時改為單線運行，同時該線所有定期夜行列車中止營運。EF71型電力機車除了用於牽引上述的普通旅客列車外，亦牽引山形至漆山間的貨物列車和臨時列車，直至1991年8月26日該線列車中止營運為止。此後，部分EF71型電力機車轉往東北本線投入臨時運用。1992年7月，山形新幹線開通營運，EF71型電力機車因難以轉往其他地區使用而陸續報廢，至1993年全部機車除籍報廢。

技術特點

總體佈置

EF71型電力機車是客貨運通用的交流電力機車，適用於供電制式為20千伏50赫茲的工頻單相交流電氣化鐵路，採用輕量化整體承載式全鋼焊接結構箱型車體。車體兩端各設有一個司機室，司機室內機車運行方向的左側設有司機操縱台，右側設有副司機座席及手制動手柄，司機室兩側設有供乘務員乘降的側門，司機室上方車頂裝有兩盞密封光束燈式前照燈，前窗玻璃上方裝有冰柱切割板。因應機車重聯運用的需要，機車兩端採用貫通型結構，司機室前端中央設有貫通門，以便乘務人員通過到另一台機車。

車體中部是設有各種機械及電氣裝置的機械室。車頂外置的高壓設備只有兩台PS101C型雙臂式集電弓。車體下方除了有三台轉向架之外，還吊裝着總風缸和諧波濾波器。車體通風系統與ED77、ED78型電力機車基本相同，車身兩側各設有七個通風百葉窗和採光玻璃窗，主變壓器和整流裝置等主要電氣設備的冷卻空氣均取自車內，夏季時從機械室內吸入冷風后經車頂通風口排出熱風，而冬季時則關閉車頂通風口並改為室內循環方式，以改善室內保溫性能和減少車外冷風吸入量。

電氣系統

主電路

EF71型電力機車是交—直流電傳動的整流器式電力機車，機車主電路由空氣斷路器、主變壓器、整流器、牽引電動機、平波電抗器、電路保護裝置等部分組成。機車從架空電纜獲取高壓交流電，首先由主變壓器降低電壓，再通過矽控整流器轉換成脈流電（即方向不變而只有電壓變化的直流電），然後供電給六台牽引電動機。

和ED78型電力機車一樣，EF71型電力機車也採用了經濟多段橋的相控整流電路，但橋段數由前者的四段全控橋增加到六段全控橋，以儘量提高功率因數和減少諧波干擾。閘流體六段全控橋式整流電路能夠在四象限運行，當0°<α（控制角）<90°時工作在整流狀態，利用六段整流橋順序移相控制進行無級調壓。當90°<α<180°時工作在逆變（再生）狀態，牽引電動機變為他勵直流發電機運轉，輸出的直流電經逆變電路轉換成交流電，向架空電纜反饋電能。使用再生制動時並在電樞迴路接入穩定電阻器，以均勻分配各牽引電動機之間的負載。

為了彌補相控電力機車功率因數較低的弱點，EF71型電力機車和ED78型電力機車一樣，均設置了LC五次及七次諧波濾波器，但由於功率因數補償效果不理想而通常切除不用。1973年以後，奧羽本線和仙山線開始使用牽引變電所固定補償方式，並拆除了電力機車上裝載的諧波濾波器。經過這兩種機車的經驗教訓，此後日本出口的交流電力機車均採用LCR諧波濾波器，例如出口南非的7E1型電力機車和出口中國的6K型電力機車。

控制系統

EF71型電力機車的牽引和再生制動控制系統與ED78型電力機車大致相同。牽引控制採用了單閉環恆壓控制系統（AVR），它是由司機控制器、給定器、比較器、補償電路、自動脈衝移相器（APPS）、電壓反饋系統等部分組成。而再生制動控制方面採用了恆壓控制系統和勵磁恆流控制系統，通過改變勵磁電流或變流器電壓，來調節所需要的制動電流和制動力。閘流體勵磁調節器由輔助變壓器供電，為牽引電動機提供勵磁電流。

EF71型電力機車兩端均設有兩組KE77型電氣連接器，可以和另外一台ED78、EF71型電力機車進行重聯同步控制。在技術層面而言，當無需使用再生制動的場合，EF71型電力機車亦可以和ED75型500番台、ED77型電力機車實現重聯控制。

電器設備

機車裝用一台強迫油循環導向風冷卻的單相主變壓器，變壓器次邊有一個向主電路供電的牽引線圈、一個向輔助系統供電的輔助線圈及一個向旅客列車供電的供電線圈。列車供電系統能夠在冬季為旅客列車的電熱取暖裝置直接供電，由主變壓器的供電線圈向列車輸出1480伏特單相交流電，額定容量為380千伏安，司機室右側裝有一盞供電狀態指示燈。整流裝置採用矽控整流器，冷卻方式為強迫通風冷卻，由反並聯連接的閘流體元件組成，採用標準化的CJ02L型閘流體（國鐵標準型號為CSI 250-10型）。

每台轉向架安裝兩台MT52型四極串勵直流牽引電動機，小時功率為450千瓦，額定電壓為900伏特。六台牽引電動機採用永久「兩串三並」的聯接方式，即同一轉向架的兩台牽引電動機串聯連接，三組摩打以並聯方式連接，這種方式與全並聯聯接方式相比，雖然或會削弱了機車的防空轉性能，但可以減少閘流體數量和機車製造成本。牽引電動機迴路串接有平波電抗器，以減少整流電流的脈動成分和改善摩打的換向性能。為擴大機車的恆功調速範圍，還可以對牽引電動機使用二級磁場削弱。

輔助電路

機車的輔助電路系統主要採用三相交流傳動。牽引電動機通風機、電動空氣壓縮機等均採用三相鼠籠式異步摩打驅動。輔助電路系統由主變壓器輔助線圈供電，並由一台旋轉式劈相機將單相交流電轉換成三相交流電，額定電壓為400伏特50赫茲。另外還設有一台小型電動發電機，為控制電路、照明電路、蓄電池充電供應100伏特直流電。

轉向架

機車走行部為三台二軸轉向架，包括兩台DT129M、DT129N型兩端轉向架和一台DT137型中間轉向架，其結構與ED75型電力機車的轉向架大致相同。構架採用「日」字形的鋼板焊接結構，軸箱採用導框式定位結構，轉向架固定軸距延長至2800毫米。牽引傳動裝置採用軸懸式，牽引電動機輸出的轉矩通過一級減速齒輪傳動輪對，齒輪傳動比為4.44（16：71）。基礎制動裝置為雙側閘瓦制動，每個輪對左右各設有一個軔缸，並設有制動橫樑以保證兩側閘瓦同步作用，另外還設置了閘瓦間隙調整器。中間轉向架和車體之間還設有橫向滾動裝置，以便機車通過曲線。

轉向架採用無搖枕的全旁承支重結構，通過六組旁承彈簧支承車體全部重量。一系懸掛為軸箱頂端捲簧，二系懸掛為構架外側的旁承彈簧，旁承彈簧採用每側兩個並聯的螺旋圓彈簧組，並配有垂向油壓減震器。牽引力和制動力通過「Z」字形低位斜牽引杆裝置來傳遞。牽引杆和牽引拉杆座呈對角斜對稱佈置，與連接於構架下的三角形迴轉支承和橫向連杆組成牽引杆系統，使牽引杆的牽引點交於軌面，理論上轉向架內無軸重轉移，以充分利用機車粘着重量。

車輛保存

• EF71 1號機車：靜態保存於新幹線綜合車輛中心。

參考書目

• 奥羽線 板谷峠越え今昔. 鉄道ファン (交友社). 1975年12月, 176. 
• 特集：峠の機関車. 鉄道ファン (交友社). 1980年3月, 215. 
• 交流・交直流電機出生の記録 12. 鉄道ファン (交友社). 1988年4月, 336. 
• 交流・交直流電機出生の記録 13. 鉄道ファン (交友社). 1988年5月, 337. 
• 交流・交直流電機出生の記録 14. 鉄道ファン (交友社). 1988年6月, 338. 
• 交流・交直流電機出生の記録 16. 鉄道ファン (交友社). 1988年8月, 340. 
• 犬山徹夫. ED77・ED78の誕生とその終焉. 国鉄時代 (ネコ・パブリッシング). 2010年11月, 23: 69-70.