Hình ảnh một biển báo điện cao áp trên hệ thống điện khí hóa đường sắt

Đường sắt cũng giống như các thiết bị điện khác áp dụng điện xoay chiều để sử dụng được máy biến áp (thiết bị chỉ hoạt động với dòng xoay chiều), để có thể có hiệu điện thế lớn hơn.Hiệu điện thế càng cao, cường độ dòng điện sẽ càng thấp xét trên cùng công suất, từ đó giảm được hao phí và chi phí đường dây, sử dụng được năng lượng từ nguồn với hiếu suất cao hơn điện một chiều.

Thường hệ thống sẽ dùng điện xoay chiều ở cao thế, do đó để đảm bảo an toàn, hệ thống dây điện trên cao là lựa chọn duy nhất, không bao giờ sử dụng hệ thống ray thứ ba. Bên trong đầu máy, một máy biến áp sẽ giảm điện áp xuống để sử dụng bởi các động cơ kéo và phụ tải.

Một lợi thế ban đầu của điện xoay chiều là loại bỏ được các biến trở gây lãng phí điện năng được sử dụng trong đầu máy điện một chiều để điều khiển tốc độ: tùy vào bố trí số vòng dây trên biến áp mà dòng điện đầu ra sẽ thay đổi dễ dàng. Các thành phần phụ như đèn, thiết bị điện bổ sung cũng được biến thế chuyển thành điện áp thấp để hoạt động bình thường. Gần đây, sự phát triển của chất bán dẫn cũng làm thay đổi mạnh mẽ các động cơ xoay chiều/một chiều truyền thống thay bằng các động cơ không đồng bộ ba pha cùng phương pháp điều khiển biến tần (variable frequency drive) để thay đổi tần số, điện áp điều khiển động cơ. Các bộ điều khiển này có thể chạy tốt với điện một chiều hoặc điện xoay chiều ở bất kỳ tần số nào, và nhiều đầu máy điện hiện đại được thiết kế để sử dụng các điện áp và tần số cung cấp khác nhau, đơn giản việc hoạt động xuyên vùng, lãnh thổ, nơi mà có hệ thống nguồn phát khác nhau.

Điện xoay chiều tần số thấp

Hệ thống điện xoay chiều 15 kV 16.7 Hz được sử dụng tại Thụy Sĩ

Các động cơ điện một chiều cổ góp, được trang bị các lá cực nhiều lớp, trở thành động cơ vạn năng vì chúng cũng hoạt động được cả với điện xoay chiều; đảo chiều dòng điện trong cả stato và rôto không làm đảo ngược chiều quay động cơ. Tuy nhiên, dòng điện xoay chiều tiêu chuẩn có tần số 50 và 60 Hz gây ra vấn đề khó khăn, mất mát năng lượng do xay ra hiện tượng tự cảm và dòng điện Foucault, do đó nhiều tuyến đường sắt chọn dòng xoay chiều tần số thấp để hạn chế tình trạng này. Nó thường được chuyển đổi bằng các thiết bị như máy phát điện động cơ (motor-generator) hoặc biến tần tĩnh (static inverters) tại các trạm phát cung cấp điện cho tuyến đường sắt hoặc từ các traction powerstation.

Việc sản xuất những dòng xoay chiều này về sau trở nên không cần thiết do các chỉnh lưu trên đầu máy công suất cao có thể chuyển đổi điện xoay chiều bất kỳ tần số nào thành điện một chiều: đầu tiên là chỉnh lưu hồ quang thủy ngân (mercury-arc rectifier) và sau này là các chỉnh lưu bán dẫn. Một số tuyến đường sắt dùng điện xoay chiều được chuyển đổi sang dùng tần số điện lưới tiêu chuẩn, nhưng dòng xoay chiều tần số thấp vẫn được sử dụng rộng rãi do chi phí phát sinh đi kèm lớn nếu thay đổi.

5 quốc gia châu Âu là Đức, Áo, Thụy Sĩ, Na Uy và Thụy Điển, cùng nhau chuẩn hóa điện xoay chiều một pha 15 kV 16 2⁄3 Hz. Ngày 16 tháng 10 năm 1995, Đức, Áo và Thụy Sĩ chuyển từ 16 2⁄3 Hz sang 16.7 Hz (changed from 16 2⁄3 Hz to 16.7 Hz) và không còn chính xác bằng một phần ba tần số điện lưới. Điều này giải quyết các vấn đề quá nhiệt với bộ chuyển đổi quay được sử dụng để tạo ra một phần năng lượng này từ nguồn cung cấp lưới.[8]

Các hệ thống đường dây trên cao sử dụng điện xoay chiều cao thế không phải là lựa chọn duy nhất cho các hệ thống đường sắt quốc gia sử dụng khổ ray tiêu chuẩn. Công ty đường sắt khổ hẹp Rhaetian Railway (RhB) và Matterhorn Gotthard Bahn (MGB) (đều của Thụy Sĩ) sử dụng điện lưới 11 kV 16.7 Hz. Thực tế đã chức minh rằng cả tàu điện 15 kV của Thụy Sĩ và Đức có thể hoạt động với điện thế thấp hơn. RhB đã bắt đầu thử nghiệm hệ thống điện 11 kV từ năm 1913 trên tuyến Engadin (St. Moritz-Scuol/Tarasp). MGB xây dựng tuyến Furka Oberalp Bahn (FO) và tuyến Brig-Visp-Zermatt Bahn (BVZ) được điện khí hóa vào năm 1941 và 1929.

Ở Hoa Kỳ, 25 Hz là một trong các tần số phổ dụng trong công nghiệp, nó được ứng dụng cho Amtrak's 25 Hz traction power system với điện thế 12 kV trên tuyến Northeast Corridor giữa Washington, D.C. và New York City và trên tuyến Keystone Corridor giữa Harrisburg, Pennsylvania và Philadelphia. SEPTA's 25 Hz traction power system cũng sử dụng điện thế 12 kV bằng hệ thống dây trên cao cho đông bắc Philadelphia. Điều này cho phép các tàu có thể cùng hoạt động trên cả 2 hệ thống Amtrak và SEPTA. Ngoại trừ việc có chung điện thế, hệ thống cấp năng lượng của Amtrak và SEPTA rất khác nhau. Hệ thống Amtrak có một mạng lưới truyền tải 138 kV để cấp năng lượng cho các trạm thứ cấp, nơi sẽ chuyển đổi thành điện 12 kV để cung cấp lên hệ thống dây trên cao. SEPTA sử dụng hệ thống tự chuyển đổi tỉ lệ 2:1, cấp điện cho dây trên cao ở điện áp 12 kV và dòng trở về có điện áp 24 kV. New York, New Haven and Hartford Railroad trước đây sử dụng một hệ thống 11 kV nối New York City và New Haven, Connecticut, được chuyển đổi thành 12.5 kV 60 Hz sau này vào năm 1987.

Ở Liên hiệp Anh, London, Brighton and South Coast Railway tiên phong trong việc điện khí hóa trên các tuyến ngoại ô London, từ London Bridge tới Victoria được khai thác vào ngày 1 tháng 12 năm 1909. Từ Victoria tới Crystal Palace thông qua Balham và West Norwood được mở vào tháng 5, 1911. Peckham Rye tới West Norwood được mở vào tháng 6, 1912. Phần mở rộng không được tiến hành do xảy ra Chiến tranh thế giới thứ nhất. Hai tuyến được mở và năm 1925 bởi Southern Railway qua Coulsdon North và Sutton railway station.[9][10][11] Tuyến này được điện khí hóa 6.7 kV 25 Hz, và được thông báo vào năm 1926 rằng tất cả các tuyến đã được chuyển đổi thành điện một chiều ray thứ ba và hệ thống dây trên cao cuối cùng sẽ vào tháng 9, 1929.

Hệ thống điện xoay chiều nhiều pha

Que tiếp xúc dạng đôi để sử dụng cho hệ thống điện 3 pha trên Tuyến Jungfraubahn, Thụy Sĩ

Three-phase AC railway electrification được sử dụng ở Ý, Thụy Sĩ và Hoa Kỳ vào những năm đầu thế kỷ XX. Ý là quốc gia sử dụng nhiều nhất trong số này, cho các tuyến vùng núi phía Bắc ở Ý từ năm 1901 cho tới năm 1976. Những tuyến đầu tiên dạng này là Tuyến Burgdorf-Thun (1899) ở Thụy Sĩ, và các tuyến trong hệ thống Ferrovia della Valtellina từ Colico tới Chiavenna và Tirano ở Ý, được điện khí hóa trong các năm 1901 và 1902. Các tuyến còn lại mà sử dụng điện xoay chiều ba pha nằm ở Simplon Tunnel ở Thụy Sĩ từ năm 1906 tới năm 1930, và Cascade Tunnel của công ty Great Northern Railway ở Hoa Kỳ từ năm 1909 tới năm 1927.

Các hệ thống ban đầu này sử dụng tần số thấp (16 2⁄3 Hz), và điện áp tương đối thấp (3.000 hoặc 3.600 V) khi so sánh với các loại dòng xoay chiều sau này. Hệ thống cung cấp phanh tái sinh và nằng lượng được trả lại mạng lưới, vì vậy nó đặc biệt thích hợp cho đường sắt trên núi.

Các hệ thống ba pha có nhược điểm nghiêm trọng là yêu cầu ít nhất hai dây dẫn trên cao riêng biệt cộng với đường sắt đóng vai trò là dây âm. Các đầu máy hoạt động ở một, hai hoặc bốn tốc độ không đổi. Đa phần các đầu máy hiện đại chấp nhận đa tần số cũng có thể có phanh tái sinh và không bị giới hạn một tốc độ cố định.

Hệ thống này vẫn được sử dụng trên bốn tuyến đường sắt trên núi, sử dụng điện áp từ 725 V tới 3000 V tần số 50 Hz hoặc 60 Hz là: Corcovado Rack Railway ở Rio de Janeiro, Brazil, Jungfraubahn và Gornergratbahn ở Thụy Sĩ, Petit train de la Rhune ở Pháp.

Điện xoay chiều tần số chuẩn

Góc nhìn cận cảnh về hệ thống đường điện trên cao Northeast Corridor, MỹCác phụ tùng điện khí trên tuyến Roca Line ở Buenos Aires sử dụng điện khí hóa đường sắt 25 kV.

Chỉ trong những năm 1950 sau khi phát triển ở Pháp (20 kV; sau đó là 25 kV) và của Đường sắt Liên Xô (25 kV) hệ thống dòng điện xoay chiều một pha tần số tiêu chuẩn đã trở nên phổ biến, mặc cho sự đơn giản của các hệ thống cung cấp điện đường sắt hiện có.

Những nỗ lực đầu tiên để sử dụng điện xoay chiều một pha tần số tiêu chuẩn đã được thực hiện tại Hungary bởi một người Hungary là Kálmán Kandó trên tuyến đường nối liền Budapest với Nyugati và Alag, sử dụng điện áp 16 kV 50 Hz. Đầu máy có gắn một bộ chuyển pha xoay chiều bốn cực cấp điện cho một động cơ duy nhất loại cảm ứng đa pha từ 600 tới 1.100 V. Số lượng các cực trên động cơ 2.500 mã lực có thể được thay đổi sử dụng vòng trượt để chạy ở một trong bốn tốc độ đồng bộ. Thử nghiệm được thực hiện thành công, từ năm 1932 cho tới những năm 1960, Các tàu chạy trên tuyến Budapest-Hegyeshalom (hướng về Vienna) sử dụng thường xuyên cùng một hệ thống. Vài thập kỷ sau Thế chiến thứ hai, điện áp 16 kV được thay đổi ở Nga và sau này là Pháp sang 25 kV.

Ngày nay, một vài đầu máy trong các hệ thống này vẫn sử dụng biến áp và chỉnh lưu để cung cấp điện áp thấp được điều chỉnh độ rộng xung để vào các động cơ. Tốc độ được kiểm soát bằng cách chuyển các vòi tròn (winding taps) trên biến áp. Các đầu máy mới hơn dùng thyristor hoặc mạch IGBT để tạo ra dòng xoay chiều chopped hoặc thậm chí là đa tần sau đó được cung cấp cho động cơ điện xoay chiều cảm ứng.

Hệ thống này khá kinh tế nhưng nó có nhược điểm: các pha của hệ thống điện bên ngoài được tải không đều và có nhiễu điện từ (electromagnetic interference) cũng như nhiễu âm đáng kể được tạo ra.

Danh sách các hệ thống, quốc gia đang sử dụng hệ thống xoay chiều 25 kV một pha tần số 50 Hz có thể tìm thấy ở bài chi tiết Danh sách các hệ thống điện khí hóa đường sắt. Cũng có một số tuyến sử dụng điện 50 kV (60 Hz) là các tuyến cô lập chủ yếu để kéo than hoặc quặng ở Hoa Kỳ và Canada. Tuyến đầu tiên sử dụng điện 50 kV (từ 1973) làBlack Mesa and Lake Powell Railroad. Ở Nam Phi, tuyến Sishen–Saldanha railway line dùng để chở quặng sắt cũng vận hành dùng điện 50 kV (50 Hz).

Ở Hoa Kỳ chủ yếu sử dụng điện 12,5 and 25 kV ở tần số 25 Hz hoặc 60 Hz. Điện xoay chiều 25 kV, 60 Hz được ưa chuộng cho các tuyến đường sắt cao tốc và đường dài mới, ngay cả khi phải sử dụng một hệ thống điện khác cho các đoàn tàu hiện có.

To prevent the risk of out-of-phase supplies mixing, sections of line fed from different feeder stations must be kept strictly isolated. This is achieved by Neutral Sections (also known as Phase Breaks), usually provided at feeder stations and midway between them although, typically, only half are in use at any time, the others being provided to allow a feeder station to be shut down and power provided from adjacent feeder stations. Neutral Sections usually consist of an earthed section of wire which is separated from the live wires on either side by insulating material, typically ceramic beads, designed so that the pantograph will smoothly run from one section to the other. The earthed section prevents an arc being drawn from one live section to the other, as the voltage difference may be higher than the normal system voltage if the live sections are on different phases and the protective circuit breakers may not be able to safely interrupt the considerable current that would flow. To prevent the risk of an arc being drawn across from one section of wire to earth, when passing through the neutral section, the train must be coasting and the circuit breakers must be open. In many cases, this is done manually by the drivers. To help them, a warning board is provided just before both the neutral section and an advance warning some distance before. A further board is then provided after the neutral section to tell drivers to re-close the circuit breaker, although drivers must not do this until the rear pantograph has passed this board. In the UK, a system known as Automatic Power Control (APC) automatically opens and closes the circuit breaker, this being achieved by using sets of permanent magnets alongside the track communicating with a detector on the train. The only action needed by the driver is to shut off power and coast and therefore warning boards are still provided at and on the approach to neutral sections.

On French high-speed rail lines, the UK High Speed 1 Channel Tunnel rail link and in the Channel Tunnel, neutral sections are negotiated automatically.

In Japanese Shinkansen lines, there are ground-operated switched sections installed instead of neutral sections. The sections detect trains running within the section and automatically switch the power supply in 0.3 s,[12] which eliminates the need to shut off power at any time.