Hệ thống điện khí hóa đường sắt

Hệ thống điện khí hóa đường sắt cung cấp năng lượng dưới dạng điện cho các đoàn tàu đường sắt hay các xe điện mà không cần một đầu máy xe lửa cung cấp sức kéo hoặc một nguồn nhiên liệu trên tàu. 
Điện khí hóa đường sắt sử dụng một đầu máy tàu điện kéo theo các toa chở khách hoặc chở hàng hoặc các tàu điện động lực phân tán, toa chở khách được trang bị động cơ điện riêng trên các toa. 
Dòng điện thường được sinh ra từ nhà máy công suất lớn, hiệu năng cao, tiếp tục được truyền đến mạng lưới đường sắt và phân bố cho các đoàn tàu. Một số tuyến đường sắt điện khí hóa có các trạm phát điện riêng và các đường dây điện trên cao nhưng hầu hết thường mua từ một công ty điện lực. Đường sắt sẽ bao gồm luôn cả các hệ thống điện phụ trợ, chuyển mạch điện, biến áp...
Năng lượng cung cấp để vận hành đoàn tàu là một nguồn dẫn (gần như) liên tục chạy song hành với đường ray và thuộc một trong hai dạng: đường dây trên cao treo bởi hệ thống cột hoặc tháp dọc theo đường ray hoặc gắn với các kết cấu đường sắt khác hoặc trần của con hầm (mà tàu điện đi vào) hoặc một ray thứ ba đi dọc theo đường ray, tàu điện sẽ lấy điện bằng một thanh truyền gọi là chân tiếp xúc. Cả hệ thống đường dây trên cao và ray thứ ba thường là cực dương và sử dụng đường ray chạy tàu làm cực âm nhưng cũng có hệ thống khác hệ thống ray thứ tư phân tách sử dụng một đường ray riêng làm cực âm.
So sánh với phương thức cấp năng lượng khác như đầu máy diesel, việc điện khí hóa cung cấp một nguồn năng lượng ổn định hơn, giảm được khí thải và đòi hỏi chi phí vận hành thấp hơn.
Các đầu máy tàu điện cũng thường gây ồn ít hơn, mạnh hơn, đáp ứng nhanh và đáng tin cậy hơn diesel. 
Chúng cũng không có các nguồn phát khí thải, một lợi thế quan trọng khi hoạt động trong các hầm hay khu vực dân cư. 
Một vài hệ thống tàu còn có phanh tái sinh có thể chuyển động năng ngược trở lại thành điện để lưu trữ hoặc truyền ngược lên hệ thống điện lưới. 
Trong khi đầu máy diesel đốt dầu mỏ, điện sử dụng cho đầu máy điện lại có thể được tạo ra từ các nguồn khác nhau bao gồm cả năng lượng tái tạo.
Các nhược điểm của điện khí hóa là chi phí cao khi xây dựng và có thể không có hiệu quả kinh tế trên các tuyến đường sắt hoạt động thưa thớt; tương đối thiếu linh hoạt - do các tàu điện phải cần các hệ thống đường sắt được điện khí hóa, rủi ro khi mất điện... 
Các vùng miền khác nhau sẽ sử dụng các nguồn cung điện khác nhau về hiệu điện thế hay tần số, sự phức tạp này đòi hỏi các đầu máy tàu điện phải chuẩn bị thích ứng với nhiều kiểu nguồn điện khác nhau nếu muốn mở rộng phạm vi hoạt động hoặc thương mại. 
Khoảng cách an toàn cần thiết giữa dây điện trên cao với các toa cũng có thể làm giảm hiệu quả với hình thức vận tải container xếp chồng.
Điện khí hóa đường sắt liên tục tăng trong những thập kỷ qua, và vào năm 2012, đường sắt được điện khí hóa đã chiếm tỉ lệ một phần ba tổng chiều dài đường sắt toàn cầu.

Điện một chiều

Vận tốc của tàu điện rất đa dạng trên các tuyến và loại hình vận tải khác nhau. Cho đến giữa nhưng năm 50 của thế kỉ 20, đa phần đều chỉ sử dụng động cơ điện một chiều chổi than, mặc dù có thể chuyển đổi từ điện xoay chiều trên điện lưới thành điện một chiều sử dụng các bộ chuyển đổi điện. Nhưng do các thiết bị chuyển đổi này chưa được hoàn thiện dù xuất hiện từ cuối thế kỉ 19 - đầu thế kỉ 20, nên đa phần các hệ thống điện khí hóa ban đầu (và cả hiện nay) đều sử dụng điện một chiều, đặc biệt là tàu điện ngầm (subway) và xe điện. Tốc độ chạy tàu được kiểm soát bởi việc kết nối các động cơ kéo (traction motor) bằng nhiều cách kết hợp hoặc song song như, thay đổi từ trường của động cơ, hay tăng / giảm điện trở để giới hạn dòng điện qua động cơ.
Các Motor điện có rất ít không gian để cách điện do đó chúng thường hoạt động với hiệu điện thế thấp. Bởi vì máy biến áp (trước khi phát triển các thiết bị điện tử công suất) không thể giảm hiệu điện thế của điện một chiều nên các tàu thường sử dụng điện thế thấp từ mạng lưới một cách trực tiếp. Các hiệu điện thế một chiều phổ biến đã được liệt kê ở phần phía trên. Các hệ thống ray thứ ba (và tư) thường sử dụng điện áp dưới 1 kV vì mục đích an toàn trong khi hệ thống dây trên cao sử dụng điện áp cao hơn nhằm đảm bảo vệ hiệu năng. (Điện áp "thấp" chỉ mang tính chất tương đôi; ngay cả với điện áp 600 V cũng có thể gây chết người ngay tức thì nếu chạm vào.)
Cho đến khi xuất hiện thiết bị sử dụng điện xoay chiều, Đường sắt dùng điện một chiều sử dụng các trạm chuyển đổi để cung cấp nguồn điện áp thấp (thường từ 3000 vôn trở xuống). Thông thường chúng sử dụng các thiết bị chuyển đổi quay (rotary converter), một số trong đó vẫn đang hoạt động cho tới ngày nay, nhưng hầu hết được thay thế bởi bộ chỉnh lưu hồ quang thủy ngân (mercury arc rectifier) và tiếp sau đó là các chỉnh lưu bán dẫn.
Bởi vì công suất bằng với điện áp nhân cường độ dòng điện, điện áp tương đôi thấp trong hệ thống điện một chiều đồng nghĩa với dòng sẽ tương đối cao. Nếu nguồn điện từ mạng lưới được dẫn thẳng vào các mô tơ điện, muốn giảm lãng phí do điện trở đường dây (resistive losses), đòi hỏi phải xây dựng dây tải điện có tiết diện lớn, khoảng cách giữa các trạm tăng cấp điện với tàu và giữa các trạm cấp điện với nhau phải ngắn. Khoảng cách này đối với hệ thống ray thứ ba dùng điện áp 750 V là khoảng 2,5 km (1,6 mi). Tương tự đối với 3 kV là khoảng 7,5 km (4,7 mi) phải có một trạm tăng áp.
Bởi những lí do trên, các dự án đường sắt cao tốc thế hệ mới thường sử dụng điện xoay chiều cao thế ngay khi điều kiện cho phép. Tuy nhiên, cũng đã có sự quan tâm của các bên vận hành đường sắt trong việc quay trở lại sử dụng điện một chiều nhưng có điện áp cao hơn so với trước đây. Ở cùng hiệu điện thế, điện một chiều thường có ít tổn hao hơn điện xoay chiều, và vì lí do này điện một chiều cao áp vẫn đang được sử dụng cho một số đường tải điện. Điện một chiều cũng không tiềm ẩn các bức xạ điện từ nguy hiểm như của điện xoay chiều, và với đường sắt, điều này cũng giảm ảnh hưởng gây nhiễu tín hiệu, truyền thông và ảnh hưởng tới con người. Điện xoay chiều cũng không gặp vấn đề hệ số công suất (cos φ) như điện xoay chiều. Đặc biệt, điện một chiều có thể cung cấp cho hệ thống đường sắt một dòng điện ổn định chỉ sử dụng một dây nối đất trong khi với điện xoay chiều sẽ cần truyền tải 3 pha sẽ cần ít nhất 2 dây nối đất. Ngoài ra điện 3 pha cũng phải lưu tâm tới việc các pha không cân bằng. Sự không cân bằng pha làm cho các mô tơ 3 pha chạy ở các nhiệt độ cao hơn so với các giá trị định mức. Sự mất cân bằng pha càng lớn, thì sự tăng nhiệt độ càng lớn hơn. Các nhiệt độ cao này làm hư lớp cách điện và gây nên các vấn đề liên quan khác. Để tránh xảy ra hiện tượng này khi tàu đi qua các vùng sử dụng dòng điện khác nhau (lệch pha), các tàu điện thường sử dụng ít nhất 2 que thu điện cùng một lúc. Có một vài tuyến đường sắt ứng dụng điện 3 pha nhưng bởi tính chất phức tạp do đó điện 1 pha gần như đã trở thành tiêu chuẩn (mặc dù dòng điện về 0 trong mỗi chu kỳ). Một ví dụ hiếm trong số tuyến đường sắt một chiều cao thế là Tuyến đường sắt một chiều 6 kV đã được xây dựng ở Liên Xô.
Sự sẵn có ngày càng tăng của các chất bán dẫn cao áp có thể cho phép sử dụng điện 1 chiều với điện áp cao hơn và hiệu quả hơn mà trước đây chỉ có thực hiện được với điện xoay chiều.
Một vài đầu máy đường sắt điện một chiều sử dụng các động cơ điện ở dạng "biến áp hạ cấp" để cùng cấp thêm điện áp cho các thiết bị khác trên tàu như đèn, quạt và các máy nén khí nhưng thường thì chúng không hiệu quả, ồn và không đáng tin cậy. Sau này các bộ chuyển đổi rắn đã thay thế chúng. Các đầu máy xe lửa hiện đại ngày nay (lai diesel-điện hoặc điện) đã gần như thay thế hoàn toàn thế hệ đầu kéo cũ mới một động cơ điện cảm ứng ba pha xoay chiều được điều khiển bởi một biến tần xoay chiều chuyên dụng.

Ray thứ tư

Hệ thống Tàu điện ngầm London ở Anh là một trong số ít các hệ thống sử dụng 4 ray. Ray thứ tư này đóng vai trò làm cực âm, cái mà trong hệ thống ray thứ ba là chính đường ray tàu. Hệ thống tàu điện ngầm London có một ray thứ ba dạng tiếp xúc trên được đặt bên cạnh của các ray chính dùng điện một chiều với hiệu điện thế +420 V, và một ray thứ tư dạng tiếp xúc trên được đặt ở giữa 2 ray chính dùng điện một chiều với hiệu điện thế −210 V DC, do đó tổng hợp lại được một nguồn điện 630 V một chiều cùng cấp cho đoàn tàu. Hệ thống tương tự cũng được áp dụng cho các tuyến tàu điện ngầm thuở ban đầu ở Milan, là line 1 thuộc hệ thống Milan Metro, tuy nhiên các tuyến mới xây dựng gần đây thường sử dụng đường dây trên cao hoặc ray thứ ba.
Ưu điểm chính của hệ thống ray thứ tư đó là cả hai ray chính đều không có dòng điện chạy qua. Phương án này được đưa ra để giải quyết các vấn đề liên quan đến cực âm, bình thường được nối đất bằng các ray chạy tàu, khi tuyến tàu điện có đoạn ngầm được gia cố bằng các tấm sắt chứ không bằng các tấm bê tông (như thông thường). Điều này có thể gây các sự cố hở điện, giật và thậm chí chập điện nếu các đoạn trong đường hầm không được nối dẫn điện với nhau chắc chắn. Ray thứ tư giải quyết được vấn đề này bởi vì cực âm cũng có xu hướng truyền qua các đường ống dẫn bằng kim loại dùng để dẫn nước hoặc ga. Một vài trong số này, đặc biệt là các Tuyến Victorian chính mà có trước hệ thống tàu điện ngầm London, thường không được xây dựng nhằm mục đích dẫn điện và không có liên kết một cách hoàn chỉnh giữa các đoạn ống với nhau. Hệ thống ray thứ tư đã giải quyết vấn đề trên. Mặc dù nguồn cấp điện đã có các điểm nối đất nhân tạo, nhưng hệ thống vẫn có sử dụng thêm các điện trở nhằm đảm bảo dòng điện nối đất nằm trong tiêu chuẩn cho phép. Các ray chỉ cấp điện được đấu nối chắc chắn vào các lớp sứ cách điện nhằm tối thiểu hóa việc rò điện, nhưng điều này là không thể đối với các ray thông thường vì chúng còn phải chịu một trọng lực rất lớn từ tàu hỏa. Tuy nhiên, các miếng cao su đàn hồi được đặt giữa các ray và các thiết bị cách điện đã giải quyết được vấn đề này do đó cách ly đường ray thông thường với dòng điện âm trả về thi thoảng xuất hiện do rò điện.
Ở các đoạn đường ray mà Hệ thống Tàu điện ngầm London dùng chung với hệ thống ray thứ ba National Rail (ở Bakerloo và các tuyến District đều có các đoạn thế này), ray ở giữa cũng được nối và các ray thông thường, nhằm đáp ứng được cả hai loại tàu ray ba và ray tư cùng hoạt động dưới điện áp 660 V. Các tàu điện ngầm đi qua khu vực này đều được thiết kế có hai loại điện trở và các thiết bị điện nhằm phục vụ cả hai hệ thống. Những tuyến đường này ban đầu chỉ được điện khí hóa trên hệ thống bốn đường ray bởi LNWR trước khi các tàu của công ty Đường sắt Quốc gia được thiết kế lại nhằm phục vụ hệ thống ba ray tiêu chuẩn nhằm đơn giản hóa hệ thống tàu điện đưa vào sử dụng.
Các tàu hệ thống ray thứ tư cũng thỉnh thoảng chạy trên hệ thống ray thứ ba. Để hoạt động được, đế tiếp xúc điện ở giữa được nối liền vào hệ thống bánh tàu nhằm lấy điện từ ray. Khi quay trở lại hệ thống ray thứ tư, liên kết này được ngắt đi nhằm tránh tạo ra hiện tượng đoản mạch.

Điện xoay chiều

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 xử 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

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.
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. 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 không cần bộ phận tiếp xúc

It is possible to supply power to an electric train by inductive coupling. This allows the use of a high-voltage, insulated, conductor rail. Such a system was patented in 1894 by Nikola Tesla, Bằng sáng chế Hoa Kỳ số 514.972. It requires the use of high-frequency alternating current. Tesla did not specify a frequency but George Trinkaus suggests that around 1,000 Hz would be likely.
Inductive coupling is widely used in low-power applications, such as re-chargeable electric toothbrushes and more recently, mobile telephones and wearable computing devices (inductive charging). The contactless technology for rail vehicles is currently being marketed by Bombardier as PRIMOVE.

Điện so với Diesel

Electric trains need not carry the weight of prime movers, transmission and fuel. This is partly offset by the weight of electrical equipment.
Regenerative braking returns power to the electrification system so that it may be used elsewhere, by other trains on the same system or returned to the general power grid. This is especially useful in mountainous areas where heavily loaded trains must descend long grades.
Central station electricity can often be generated with higher efficiency than a mobile engine/generator. While the efficiency of power plant generation and diesel locomotive generation are roughly the same in the nominal regime, diesel motors decrease in efficiency in non-nominal regimes at low power  while if an electric power plant needs to generate less power it will shut down its least efficient generators, thereby increasing efficiency. The electric train can save energy (as compared to diesel) by regenerative braking and by not needing to consume energy by idling as diesel locomotives do when stopped or coasting. However, electric rolling stock may run cooling blowers when stopped or coasting, thus consuming energy.
Large fossil fuel power stations operate at high efficiency, and can be used for district heating or to produce district cooling, leading to a higher total efficiency.
Energy sources unsuitable for mobile power plants, such as nuclear power, renewable hydroelectricity, or wind power can be used. According to widely accepted global energy reserve statistics, the reserves of liquid fuel are much less than gas and coal (at 42, 167 and 416 years respectively). Most countries with large rail networks do not have significant oil reserves and those that did, like the United States and Britain, have exhausted much of their reserves and have suffered declining oil output for decades. Therefore, there is also a strong economic incentive to substitute other fuels for oil. Rail electrification is often considered an important route towards consumption pattern reform. However, there are no reliable, peer-reviewed studies available to assist in rational public debate on this critical issue, although there are untranslated Soviet studies from the 1980s.

Điện xoay chiều với điện một chiều

Modern electrification systems take AC energy from a power grid which is delivered to a locomotive and converted to a DC voltage to be used by traction motors. These motors may either be DC motors which directly use the DC or they may be 3-phase AC motors which require further conversion of the DC to 3-phase AC (using power electronics). Thus both systems are faced with the same task: converting and transporting high-voltage AC from the power grid to low-voltage DC in the locomotive. The difference between AC and DC electrification systems lies in where the AC is converted to DC: at the substation or on the train. Energy efficiency and infrastructure costs determine which of these is used on a network, although this is often fixed due to pre-existing electrification systems. Both the transmission and conversion of electric energy involve losses: ohmic losses in wires and power electronics, magnetic field losses in transformers and smoothing reactors (inductors). Power conversion for a DC system takes place mainly in a railway substation where large, heavy, and more efficient hardware can be used as compared to an AC system where conversion takes place aboard the locomotive where space is limited and losses are significantly higher. Also, the energy used to blow air to cool transformers, power electronics (including rectifiers), and other conversion hardware must be accounted for.

So sánh với đầu kéo Diesel

Electric locomotives may easily be constructed with greater power output than most diesel locomotives. For passenger operation it is possible to provide enough power with diesel engines (see e.g. 'ICE TD') but, at higher speeds, this proves costly and impractical. Therefore, almost all high speed trains are electric. The high power of electric locomotives also gives them the ability to pull freight at higher speed over gradients; in mixed traffic conditions this increases capacity when the time between trains can be decreased. The higher power of electric locomotives and an electrification can also be a cheaper alternative to a new and less steep railway if trains weights are to be increased on a system.
On the other hand, electrification may not be suitable for lines with low frequency of traffic, because lower running cost of trains may be outweighed by the high cost of the electrification infrastructure. Therefore, most long-distance lines in developing or sparsely populated countries are not electrified due to relatively low frequency of trains.
Maintenance costs of the lines may be increased by electrification, but many systems claim lower costs due to reduced wear-and-tear from lighter rolling stock. There are some additional maintenance costs associated with the electrical equipment around the track, such as power sub-stations and the catenary wire itself, but, if there is sufficient traffic, the reduced track and especially the lower engine maintenance and running costs exceed the costs of this maintenance significantly.
Network effects are a large factor with electrification. When converting lines to electric, the connections with other lines must be considered. Some electrifications have subsequently been removed because of the through traffic to non-electrified lines. If through traffic is to have any benefit, time consuming engine switches must occur to make such connections or expensive dual mode engines must be used. This is mostly an issue for long distance trips, but many lines come to be dominated by through traffic from long-haul freight trains (usually running coal, ore, or containers to or from ports). In theory, these trains could enjoy dramatic savings through electrification, but it can be too costly to extend electrification to isolated areas, and unless an entire network is electrified, companies often find that they need to continue use of diesel trains even if sections are electrified. The increasing demand for container traffic which is more efficient when utilizing the double-stack car also has network effect issues with existing electrifications due to insufficient clearance of overhead electrical lines for these trains, but electrification can be built or modified to have sufficient clearance, at additional cost.
Additionally, there are issues of connections between different electrical services, particularly connecting intercity lines with sections electrified for commuter traffic, but also between commuter lines built to different standards. This can cause electrification of certain connections to be very expensive simply because of the implications on the sections it is connecting. Many lines have come to be overlaid with multiple electrification standards for different trains to avoid having to replace the existing rolling stock on those lines. Obviously, this requires that the economics of a particular connection must be more compelling and this has prevented complete electrification of many lines. In a few cases, there are diesel trains running along completely electrified routes and this can be due to incompatibility of electrification standards along the route.
A problem specifically related to electrified lines are gaps in the electrification. Electric vehicles, especially locomotives, lose power when traversing gaps in the supply, such as phase change gaps in overhead systems, and gaps over points in third rail systems. These become a nuisance, if the locomotive stops with its collector on a dead gap, in which case there is no power to restart. Power gaps can be overcome by on-board batteries or motor-flywheel-generator systems.
In 2014, progress is being made in the use of large capacitors to power electric vehicles between stations, and so avoid the need for overhead wires between those stations.

Điện khí hóa đường sắt trên thế giới

Vào năm 2006, 240.000 km (150.000 mi) (25% chiều dài) của toàn bộ mạng lưới đường sắt và 50% tổng số chuyến đường sắt trên Thế giới được điện khí hóa.
Năm 2012, tính theo số km đã được điện khí hóa, Trung Quốc đã vượt qua Nga để trở thành nơi đầu tiên trên thế giới có hơn 48.000 km (30.000 mi) đường sắt điện khí hóa. Theo sau Trung Quốc là Nga 43.300 km (26.900 mi), Ấn Độ 30.012 km (18.649 mi), Đức 21.000 km (13.000 mi), Nhật Bản 17.000 km (11.000 mi), và Pháp 15.200 km (9.400 mi).

Đảo Diesel

"Đảo diesel" nhằm chỉ tới một đoạn tương đối ngắn không được điện khí hóa giữa các đoạn được điện khí hóa trong hệ thống đường sắt. Chúng được gọi là "đảo" bởi vì nói chung những khu vực này chỉ sử dụng được các tàu chạy bằng diesel thông thường. Các đoạn như vậy gây bất lợi về mặt vận hành, bởi vì các đoàn tàu điện từ chung quanh không thể chạy qua đoạn này.