Elektrifikasi perkeretaapian

Arus searah

Peningkatan ketersediaan semikonduktor tegangan tinggi dapat memungkinkan penggunaan tegangan DC yang lebih tinggi dan lebih efisien yang sebelumnya hanya praktis dengan AC.

Sistem LAA

Tegangan 1.500 V DC digunakan di Jepang, Indonesia, Hong Kong (sebagian), Republik Irlandia, Australia (bagian), Prancis (juga menggunakan 25 kV 50 Hz AC ), Selandia Baru (Wellington), Singapura (di Jalur MRT timur laut), Amerika Serikat (Chicago di distrik Metra Electric dan jalur antarwilayah pinggiran South Shore Line dan di jalur LRT Seattle, Washington - Sound Transit). Di Slowakia, ada dua sepur sempit di Tatras Tinggi (jalur gigi). Di Belanda tegangan digunakan pada lintas utama, serta 25 kV pada HSL-Zuid dan Betuwelijn, dan 3000 V selatan Maastricht . Di Portugal, tegangan ini digunakan di Jalur Cascais dan di Denmark pada sistem kereta S pinggiran kota (1.650 V DC).
Di Britania Raya, 1.500 V DC digunakan pada tahun 1954 untuk jalur nonaktif Woodhead trans-Pennine; sistem ini menggunakan abar regeneratif yang membuat sarana dapat mentransfer energi saat kereta menanjak dan menurun lalu memasuki terowongan. Sistem ini digunakan juga pada elektrifikasi wilayah pinggiran East London danManchester, sekarang diganti dengan 25 kV AC. Sekarang sistem itu hanya digunakan pada Tyne and Wear Metro. Di India, 1,500 V DC mulai digunakan saat elektrifikasi jalur rel di Mumbai pada tahun 1925. Antara 2012–2016, elektrifikasi diubah menjadi 25 kV 50 Hz AC yang sudah diterapkan di lintas lainnya di negara tersebut.
Tegangan 3 kV DC digunakan di Belgia, Italia, Spanyol, Polandia, Republik Ceko wilayah utara, Slowakia, Slovenia, Afrika Selatan, Chili, negara-negara bekas Uni Soviet (juga menggunakan 25 kV 50 Hz AC), dan Belanda (dari selatan kota Maastricht ke perbatasan Belgia, yang saat ini secara eksklusif digunakan oleh perusahaan kereta Belgia NMBS). Dahulunya digunakan oleh Milwaukee Road dari Harlowton, Montana ke Seattle-Tacoma, melintasi Continental Divide dan termasuk cabang luas dan jalur lingkar di Montana, dan juga Delaware, Lackawanna &amp; Western Railroad (sekarang New Jersey Transit, diubah menjadi 25 kV AC) di Amerika Serikat, dan jalur kereta api pinggiran kota Kolkata (Bardhaman Main Line) di India, sebelum dikonversi menjadi 25 kV 50 Hz AC .
Tegangan DC antara 600 V dan 800 V digunakan oleh sebagian besar trem, jaringan bus listrik dan sistem KA bawah tanah.

Rel ketiga

Sebagian besar sistem elektrifikasi menggunakan kabel LAA, tetapi rel ketiga adalah pilihan lain hingga 1.500 V, seperti halnya Metro Shenzhen Line 3. Sistem rel ketiga selalu menggunakan distribusi DC. Arus AC tidak dapat digunakan karena adanya "efek kulit" (gejala tidak meratanya distribusi arus AC). Efek ini membuat tahanan per satuan panjang terlalu tinggi dibandingkan dengan penggunaan DC. Rel ketiga lebih kompak (keras) daripada kabel LAA dan dapat digunakan di terowongan berdiameter kecil, yang menjadi faktor utama untuk sistem kereta bawah tanah.

Sistem ban karet

Beberapa jalur Paris Métro di Perancis beroperasi dengan skema tenaga empat rel. Kereta bergerak di atas ban karet yang menggelinding sepasang jalur gelindingan sempit yang sebagian terbuat dari baja dan sebagian dari beton . Karena ban tidak menghantarkan arus, kedua batang pemandu yang disediakan di luar "jalur gelindingan" tempatnya berpijak, merupakan rel ketiga dan keempat yang masing-masing menyediakan listrik sebesar 750 V DC, jadi dapat dianggap sebagai jalur "rel keempat". Setiap set bogie berpenggerak memiliki satu motor traksi. Sepatu kontak mengalirkan arus dari bagian vertikal dari batang pemandu. Kembalinya arus di setiap motor traksi, serta setiap kereta penumpang, dilakukan oleh satu sepatu kontak yang bergerak di atas masing-masing rel. Umumnya, metro roda karet 1.435 mm (4 ft 8 ¹⁄₂ in) yang bergerak di atas jalur gelindingan beroperasi dengan cara yang sama.

Arus bolak-balik

Kereta api dan peralatan listrik menggunakan AC, karena peralatannya membutuhkan trafo, yang hanya dapat dijalankan di arus AC, untuk menghasilkan tegangan yang lebih tinggi. Semakin tinggi tegangan, semakin rendah arus untuk daya yang konstan.
Karena arus bolak-balik digunakan dengan tegangan tinggi, metode elektrifikasi ini hanya digunakan pada kabel LAA, tidak pernah pada rel ketiga. Pada lokomotif, transformator (trafo) menurunkan tegangan untuk digunakan oleh motor traksi dan peralatan lain.
Keuntungan awal dari AC adalah bahwa resistor yang membuang-buang daya yang digunakan di lokomotif DC untuk kontrol kecepatan tidak diperlukan di lokomotif AC:transformator dapat memasok berbagai tegangan. Lilitan transformator tegangan rendah yang terpisah menyediakan penerangan dan motor yang menggerakkan mesin bantu. Baru-baru ini, pengembangan semikonduktor dengan daya sangat tinggi telah menyebabkan motor AC/DC klasik sebagian besar digantikan dengan motor induksi tiga fase yang digerakkan oleh variable frequency drive (VFD), inverter khusus yang memvariasikan frekuensi dan tegangan untuk mengontrol kecepatan motor. Penggerak ini dapat berjalan dengan baik pada DC maupun AC pada frekuensi berapa pun, dan banyak lokomotif listrik modern dirancang untuk menjawab tantangan tegangan dan frekuensi pasokan yang berbeda untuk menyederhanakan operasi lintas negara.

Arus bolak-balik frekuensi rendah

Lima negara Eropa: Jerman, Austria, Swiss, Norwegia, dan Swedia, memiliki standar 15 kV ​16 ²⁄₃ Hz AC (frekuensi induk 50 Hz dibagi tiga) fase tunggal. Pada 16 Oktober 1995, Jerman, Austria dan Swiss mengubah dari ​16 ²⁄₃ Hz ke 16,7 Hz yang tidak lagi tepat sepertiga dari frekuensi awal. Hal ini berhasil mengatasi masalah kepanasan pada konverter putar yang digunakan untuk menghasilkan sebagian daya ini dari pembangkit listrik. 
Di Inggris, London, Brighton dan South Coast Railway memelopori elektrifikasi LAA jalur pinggiran kota di London; jalur dari London Bridge ke Victoria dibuka untuk umum pada 1 Desember 1909. Victoria ke Crystal Palace via Balham dan West Norwood dibuka pada Mei 1911. Peckham Rye ke West Norwood dibuka pada Juni 1912. Perpanjangan lebih lanjut tidak dilakukan karena Perang Dunia I. Dua jalur dibuka pada 1925 di bawah operasi Southern Railway, melayani stasiun kereta Coulsdon Utara dan Sutton. Lintas ini dielektrifikasi pada 6,7 kV 25 Hz. Selanjutnya, pada tahun 1926 semua jalur harus diubah ke rel ketiga DC dan layanan dengan LAA berakhir pada bulan September 1929.

Sistem non-kontak

Selain dua jenis elektrifikasi untuk memasok daya ke kereta listrik dengan kopel induktif. Kopel induktif menggunakan rel konduktor bertegangan tinggi dengan isolator. Sistem itu dipatenkan pada tahun 1894 oleh Nikola Tesla dalam U.S. Patent 514.972. Ini membutuhkan penggunaan arus bolak-balik frekuensi tinggi. Tesla tidak menentukan frekuensi tetapi George Trinkaus memperkirakan sekitar 1.000 Hz.
Kopel induktif banyak digunakan dalam aplikasi listrik berdaya rendah, seperti sikat gigi listrik dapat diisi ulang dan baru-baru ini, telepon seluler dan perangkat komputasi yang dapat dikenakan (pengisian induktif). Teknologi nirkontak untuk kendaraan kereta api saat ini sedang dipasarkan oleh Bombardier dengan nama PRIMOVE.

Listrik lawan diesel

Kereta listrik tidak memasang penggerak utama, transmisi, dan bahan bakar, tetapi hanya peralatan listrik.
Pengereman regeneratif mengembalikan daya ke sistem elektrifikasi sehingga dapat digunakan di tempat lain, umumnya dengan kereta lain di sistem yang sama, atau dikembalikan ke jaringan listrik umum. Ini sangat berguna di daerah pegunungan tempat kereta yang penuh muatan harus menurun pada lintasan panjang.
Gardu pusat seringkali dapat digunakan dengan efisiensi yang lebih tinggi daripada mesin/generator portabel. Bila efisiensi pembangkit listrik dan generator lokomotif diesel kira-kira sama dalam nilai nominalnya, motor diesel turun efisiensi dalam nilai non-nominal pada daya rendah  sementara jika pembangkit listrik perlu menghasilkan lebih sedikit daya, akan mematikan generator yang paling tidak efisien, sehingga meningkatkan efisiensi. Kereta listrik dapat menghemat energi (dibandingkan dengan diesel) dengan pengereman regeneratif dan tidak perlu memakan banyak energi dengan cara masuk ke posisi idle seperti yang dilakukan oleh lokomotif diesel ketika berhenti atau meluncur. Namun, sarana perkeretaapian listrik dapat menggerakkan kipas pendingin ketika berhenti atau menurun, sehingga menghabiskan energi.
Pembangkit listrik besar berbahan bakar fosil beroperasi dengan efisiensi tinggi, dan dapat digunakan untuk pemanasan distrik atau untuk menghasilkan pendinginan distrik, sehingga total efisiensinya lebih tinggi.

AC lawan DC untuk lintas utama

Sistem elektrifikasi modern mendapatkan energi listrik AC dari jaringan listrik yang dikirim ke lokomotif dan diubah ke tegangan DC untuk digunakan oleh motor traksi. Motor-motor ini dapat berupa motor DC yang secara langsung menggunakan DC atau mungkin motor AC 3 fase yang memerlukan konversi DC lebih lanjut menjadi AC 3 fase (menggunakan peralatan daya elektronik). Dengan demikian kedua sistem dihadapkan pada tugas yang sama: mengubah dan mengalirkan listrik AC tegangan tinggi dari jaringan listrik menuju arus DC tegangan rendah di lokomotif. Perbedaan antara sistem elektrifikasi arus AC dan DC terletak di tempat AC diubah menjadi DC: di gardu induk atau di sarana. Efisiensi energi dan biaya infrastruktur menentukan pilihan yang dikehendaki pada jaringan, meskipun ini sering diperbaiki karena sistem elektrifikasi yang sudah ada sebelumnya. Baik transmisi dan konversi energi listrik melibatkan kerugian: kerugian hambatan pada kabel dan komponen elektrik, kerugian medan magnet pada transformator dan induktor. Konversi daya untuk sistem DC terjadi terutama di gardu dengan peralatannya yang besar, berat, dan lebih efisien, dapat digunakan. Hal ini berbeda dengan sistem AC yang konversinya terjadi di atas lokomotif dengan ruang terbatas dan kerugian secara signifikan lebih tinggi.  Juga, energi yang digunakan untuk meniup udara untuk mendinginkan transformator, pengatur daya listrik (termasuk penyearah), dan konvertor lainnya harus diperhitungkan.

Perbandingan dengan traksi diesel

Lokomotif listrik dapat dengan mudah diproduksi dengan keluaran daya yang lebih besar daripada kebanyakan lokomotif diesel. Untuk pengoperasian penumpang dimungkinkan untuk menyediakan daya yang cukup dengan mesin diesel tetapi, pada kecepatan yang lebih tinggi, terbukti mahal dan tidak praktis. Karena itu, hampir semua kereta berkecepatan tinggi merupakan KA tenaga listrik. Daya yang tinggi berarti mampu menarik barang pada kecepatan lebih tinggi dari normal; dalam kondisi lalu lintas campuran, ini meningkatkan kapasitas ketika waktu antar kereta dapat dikurangi. Daya lokomotif listrik yang lebih tinggi dan elektrifikasi juga bisa menjadi alternatif yang lebih murah daripada jenis sarana lain.
Namun, elektrifikasi tidak cocok untuk jalur dengan frekuensi lalu lintas yang rendah, karena biaya operasional kereta api yang lebih rendah mungkin lebih besar daripada biaya infrastruktur yang mahal. Oleh karena itu, sebagian besar jalur jarak jauh di negara berkembang atau berpenduduk jarang dielektrifikasi karena frekuensi kereta yang relatif rendah.
Biaya perawatan jalur KA dapat meningkat seiring elektrifikasi, tetapi banyak sistem mengklaim biaya yang lebih murah karena berkurangnya keausan dari sarana yang lebih ringan. Ada beberapa biaya perawatan tambahan yang terkait dengan peralatan listrik di sekitar lintasan, seperti gardu dan kabel LAA itu sendiri, tetapi, jika ada lalu lintas yang cukup tinggi, biaya pemeliharaan sarana dan prasarana dapat dikurangi secara signifikan.
Perluasan jaringan menjadi faktor dengan elektrifikasi. Saat mengubah lintas menjadi listrik, hubungan dengan jalur KA lain harus dipertimbangkan. Beberapa elektrifikasi kemudian dinonaktifkan karena lalu lintas yang melalui jalur nonlistrik. Jika kedua-duanya memberikan manfaat, lokomotif multi-power yang mahal harus digunakan. Ini sebagian besar merupakan masalah untuk perjalanan jarak jauh, tetapi banyak jalur yang didominasi oleh lalu lintas dari kereta barang jarak jauh (biasanya mengangkut batu bara, bijih, atau peti kemas dari dan ke pelabuhan). Secara teoretis, kereta api listrik dapat menghemat biaya operasi, tetapi terlalu mahal untuk memperluas elektrifikasi ke daerah-daerah terpencil, dan kecuali jika seluruh jaringan listrik, perusahaan sering menemukan bahwa mereka perlu terus menggunakan kereta diesel bahkan jika ada bagian yang dielektrifikasi. Meningkatnya permintaan untuk lalu lintas peti kemas yang lebih efisien ketika menggunakan gerbong datar bertingkat juga memiliki masalah dengan elektrifikasi yang ada karena kurangnya ruang bebas kabel LAA untuk kereta-kereta ini, tetapi elektrifikasi dapat dibangun atau dimodifikasi agar memenuhi batas ruang bebas, dengan dibebankan biaya tambahan.
Masalah khusus yang terkait dengan saluran listrik adalah celah pada elektrifikasi. Kendaraan listrik, terutama lokomotif, kehilangan daya saat melintasi titik peralihan jaringan LAA atau rel ketiga bertegangan. Jika lokomotif/KRL berhenti dengan pantograf atau sepatu kontaknya tepat di titik peralihan, mogoklah kereta itu. Celah peralihan daya dapat diatasi dengan memasang baterai atau sistem generator roda gila. Pada tahun 2014, kemajuan sedang dibuat dalam penggunaan kapasitor besar untuk menyalakan kendaraan listrik antara stasiun, dan menghindari kebutuhan kabel LAA antara stasiun-stasiun tersebut.

Elektrifikasi di seluruh dunia

Pada 2006, 240000 km (150000 mi) (25% panjangnya) dari jaringan kereta api dunia dialiri listrik dan 50% dari semua transportasi kereta api dilakukan dengan traksi listrik.
Pada 2012 untuk kilometer lintas yang sudah dielektrifikasi, Tiongkok melampaui Rusia menjadikannya tempat pertama di dunia dengan lebih dari 48000 km (30000 mi) dialiri listrik. Menyusul Tiongkok adalah Rusia 43300 km (26900 mi), India 30012 km (18649 mi),  Jerman 21000 km (13000 mi), Jepang 17000 km (11000 mi), dan Prancis 15200 km (9400 mi).

Efek bunga api

Jalur listrik baru sering menunjukkan "efek bunga api", dengan elektrifikasi dalam sistem kereta penumpang mengarah ke lompatan yang signifikan dalam pendapatan.  Alasannya mungkin termasuk kereta listrik yang dipandang lebih modern dan menarik untuk dinaiki,   lebih cepat dan lebih lancar, dan fakta bahwa elektrifikasi sering berjalan seiring dengan infrastruktur umum dan perbaikan/penggantian sarana, yang mengarah pada kualitas layanan yang lebih baik (dengan cara yang secara teoretis juga dapat dicapai dengan melakukan peningkatan serupa tanpa elektrifikasi). Apa pun penyebabnya, efek ini telah terjadi pada berbagai rute yang telah dialiri listrik selama beberapa dekade.