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常磐線と水戸線で運用されている403・415系鋼製車の老朽化に伴う置き換えおよび競合する首都圏新都市鉄道(つくばエクスプレス)への対策としての運転速度向上を目的に、E501系やE231系の使用実績を基に「人に優しい車両システム」をコンセプトとして開発。本系列の全車を勝田車両センターに配置し、2015年1月1日時点での内訳は基本10両編成23本(230両)、付属5両編成19本(95両)、合計325両。
2005年(平成17年)3月に最初の編成(K401編成〈基本・10両〉とK451編成〈付属・5両〉)が落成、同月16日から公式試運転開始、同年7月9日のダイヤ改正から12編成90両(基本編成6本60両・付属編成6本30両)が営業運転を開始した。その後も増備が続けられ、2007年(平成19年)3月18日のダイヤ改正より上野発着の403系・415系・E501系の中距離電車運用をすべて置き換え、普通列車と特別快速の全列車が本系列による運行となり、同時にグリーン車の営業も開始した。以降、常磐線上野口発着の中距離電車の主力として使用。
製造は基本・付属編成ともに最初の6編成のみ東急車輛製造と川崎重工業が担当したが、2006年(平成18年)度以降は基本・付属編成ともに普通車のみJR東日本新津車両製作所で製造が行われた。ただし、編成中のグリーン車だけは東急車輛製造と川崎重工業で制作。2014年(平成26年)9月に基本編成10両1編成が総合車両製作所横浜事業所で製作された。本系列で採用された新機軸の多くは、後のE233系にも改良を加えられながら受け継がれている。
基本編成10両(1~10号車) +付属編成5両(11~15号車)の15両編成を基本とし、基本編成の編成番号は K401~K423、付属編成の場合はK451~K469である。基本編成10両+付属編成5両の15両編成、付属編成5両+付属編成5両+付属編成5両の15両編成、付属編成5両+付属編成5両の10両編成、基本編成のみの10両編成、付属編成のみの5両編成の5パターンでの運行可能。付属編成5両+付属編成5両の10両編成での運転がE501系基本編成の代替運用時にあるのみで、付属編成を複数連結した列車の定期運用は存在しない。編成中の電動車 (M) と付随車 (T) の構成(MT比)は、基本編成が4M6T、付属編成は2M3T。先頭車両は貫通路をもたないため、走行中の編成間の通り抜けはできない。付属編成は複数の運用方法を有するため、車体側面の号車番号ステッカーは貼り付けしない。
2007年3月18日のダイヤ改正より、常磐線上野口中距離電車の運用はすべて本系列に置き換えられた。運用区間は原則として常磐線上野 - 高萩間であるが、415系1500番台・E501系の検査時等の代走として高萩~草野間と水戸線の運用に就くことがある。常磐線は上野~土浦間が10両・15両編成、土浦~高萩間は大半が10両編成での運転であるが、土浦 - 勝田間を5両編成で運転する列車が2往復存在。水戸線での暫定運用は全区間で5両編成を使用。
E501系基本10両編成の代替運用には基本編成または付属編成2編成を連結して代走する。基本編成が代走する場合はグリーン車は普通車扱い。
2010年度には、付属編成が新津車両製作所で再び新製され、K467編成が同年6月17日に、K468編成が同年7月23日に竣工。E531系の新製は2006年11月以来の約3年半ぶり。これはE501系が経年約15年を迎え、機器更新時期に達したためで機器更新期間は基本編成で2か月、付属編成で1か月程度の期間を要する。E501系とE531系は共通予備車であるため、この入場期間中に車両の運用が不足してしまうためにE501系の機器更新時の予備車確保用として製造。
2014年(平成26年)9月に、上野東京ライン開業に伴う増強用に基本編成のK423編成、12月に付属編成のK469編成が総合車両製作所横浜事業所で製作。E531系の新製は基本編成ではK422編成以来8年ぶり、E531系全体では付属編成のK468編成以来4年ぶり。
(「Wikipedia」より一部改)
〔2005年 3月16日 東急車輛(サロ車2006年11月26日 東急車輛)製〕
〔2005年 5月13日 川崎重工(サロ車2006年12月 4日 東急車輛)製〕
〔2005年 5月19日 東急車輛(サロ車2006年12月22日 川崎重工)製〕
〔2005年 5月27日 川崎重工(サロ車2007年 1月19日 川崎重工)製〕
〔2005年 6月17日 川崎重工(サロ車2007年 1月31日 東急車輛)製〕
〔2005年 6月23日 東急車輛(サロ車2007年 2月15日 東急車輛)製〕
〔2006年 3月 8日 新津車両製作所(サロ車2006年11月22日 東急車輛)製〕
〔2006年 3月29日 新津車両製作所(サロ車2006年12月 6日 東急車輛)製〕
〔2006年 4月21日 新津車両製作所(サロ車2006年12月25日 東急車輛)製〕
〔2006年 5月17日 新津車両製作所(サロ車2007年 3月26日 川崎重工)製〕
〔2006年 6月 9日 新津車両製作所(サロ車2007年 2月 1日 東急車輛)製〕
〔2006年 6月23日 新津・⑥06. 3. 8新津・⑨05. 3.16東急(サロ車2006年11月23日 東急車輛)製〕
〔2006年 7月 4日 新津・⑥06. 3. 8新津・⑨05. 3.16東急(サロ車2006年11月24日 東急車輛)製〕
〔2006年 7月13日 新津・⑥06. 3.29新津・⑨05. 5.13川重(サロ車2006年12月13日 東急車輛)製〕
〔2006年 7月22日 新津・⑥06. 3.29新津・⑨05. 5.13川重(サロ車2006年12月14日 東急車輛)製〕
〔2006年 8月 2日 新津・⑥06. 4.21新津・⑨05. 5.19東急(サロ車2006年12月27日 川崎重工)製〕
〔2006年 8月12日 新津・⑥06. 4.21新津・⑨05. 5.19東急(サロ車2006年12月28日 川崎重工)製〕
〔2006年 8月23日 新津・⑥06. 5.17新津・⑨05. 5.27川重(サロ車2007年 1月24日 川崎重工)製〕
〔2006年 9月 1日 新津・⑥06. 5.17新津・⑨05. 5.27川重(サロ車2007年 1月25日 川崎重工)製〕
〔2006年 9月 9日 新津・⑥06. 6. 9新津・⑨05. 6.17川重(サロ車2007年 2月 5日 東急車輛)製〕
〔2006年 9月20日 新津・⑥06. 6. 9新津・⑨05. 6.17川重(サロ車2007年 2月 6日 東急車輛)製〕
〔2006年 9月30日 新津・⑥⑨05. 6.23東急(サロ車2007年 2月19日 東急車輛)製〕
〔2014年 9月30日 J-TREC横浜事業所製〕
〔2017年 7月27日 J-TREC新津事業所製(サロ車J-TREC横浜事業所製)製〕
〔2017年 8月 9日 J-TREC新津事業所製(サロ車J-TREC横浜事業所製)製〕
〔2017年 8月23日 J-TREC新津事業所製(サロ車J-TREC横浜事業所製)製〕
〔2005年 3月16日 東急車輛製〕
〔2005年 5月11日 川崎重工製〕
〔2005年 5月22日 東急車輛製〕
〔2005年 5月27日 川崎重工製〕
〔2005年 6月10日 東急車輛製〕
〔2005年 7月 1日 東急車輛製〕
〔2006年 3月 4日 新津車両製作所製〕
〔2006年 3月25日 新津車両製作所製〕
〔2006年 4月 8日 新津車両製作所製〕
〔2006年 5月 2日 新津車両製作所製〕
〔2006年 6月 1日 新津車両製作所製〕
〔2006年 6月17日 新津車両製作所製〕
〔2006年10月 7日 新津車両製作所製〕
〔2006年10月13日 新津車両製作所製〕
〔2006年10月21日 新津車両製作所製〕
〔2006年10月27日 新津車両製作所製〕
〔2006年 6月27日 新津車両製作所製
〔2006年 7月26日 新津車両製作所製〕
〔2014年12月18日 J-TREC横浜事業所製〕
〔2015年 1月28日 J-TREC横浜事業所製〕
〔2015年 1月28日 J-TREC横浜事業所製〕
〔2015年 2月20日 J-TREC横浜事業所製〕
〔2015年 2月20日 J-TREC横浜事業所製〕
〔2015年 3月11日 J-TREC横浜事業所製〕
〔2015年 3月11日 J-TREC横浜事業所製〕
〔2017年 7月 6日 J-TREC新津事業所製〕
〔2017年 7月20日 J-TREC新津事業所製〕
〔2019年 7月23日 J-TREC新津事業所製〕
〔2019年 7月23日 J-TREC新津事業所製〕
〔2020年 2月 4日 J-TREC新津事業所製〕
〔2020年 2月 4日 J-TREC新津事業所製〕
〔2020年 3月 4日 J-TREC新津事業所製〕
〔2020年 3月 4日 J-TREC新津事業所製〕
〔2015年10月16日 J-TREC横浜事業所製〕
〔2015年11月 6日 J-TREC横浜事業所製〕
〔2015年12月 2日 J-TREC横浜事業所製〕
〔2016年 3月 9日 J-TREC横浜事業所製〕
〔2017年 2月28日 J-TREC新津事業所製〕
〔2017年 3月10日 J-TREC新津事業所製〕
〔2017年 3月24日 J-TREC新津事業所製〕