Hệ thống điện khí hóa đường sắt
Điện xoay chiều > Điện xoay chiều tần số chuẩn

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.
Để tránh các nguy cơ bị lệch pha nguồn, các đoạn dây cấp điện từ các trạm cấp điện khác nhau phải được cách điện nghiêm ngặt. Điều đạt được nhờ các Phần Trung Lập "Neutral Sections" (cũng có tên khác là Phase Breaks), thường được lắp đặt ở điểm giữa của 2 trạm cấp điện bất kỳ. Vào thời điểm thông thường, chỉ một trong hai nửa của bộ phận này có điện, phần còn lại nhằm cho phép một trạm cấp điện có thể dừng hoạt động và dòng điện được cấp từ các trạm cấp khác liền kề. Phần Trung Lập thường bao gồm một phần dây nối đất được ngăn cách với dây dẫn điện ở hai bên bằng vật liệu cách điện, thường là trụ sứ cách điện, và thiết kế sao cho que lấy điện di chuyển từ phần này sang phần khác của dây cấp điện một cách dễ dàng. Phần nốt đất ngăn ngừa phóng điện hồ quang giữa các dây dẫn với nhau, vì sự chênh lệch điện áp có thể cao hơn bình thường, đồng thời nếu các dây dẫn điện có pha khác nhau và bộ ngắt mạch bảo vệ không hoạt động, lúc đó một dòng điện đáng kể sẽ phóng qua. Để ngăn ngừa nguy cơ hồ quang phóng qua đoạn dây này với đất, khi đi qua đoạn có Phần Trung Lập, đoàn tàu phải về more (để số về 0 hoặc N và chạy theo quán tính) và phải mở cầu dao ngắt. Cũng có thể trong nhiều trường hợp, điều này được thực hiện thủ công bởi lái tàu. Để trợ giúp cho họ, thường sẽ có một biển cảnh báo có Phần Trung Lập phía trước và khoảng cách tới đó là bao nhiêu. Sau khi qua đoạn trung lập cũng sẽ có biển nhắc lái tàu đóng lại cầu dao. Ở Anh, có một hệ thống tự động mở và đóng mạch kiểu này tên là Automatic Power Control (APC), sử dụng nhiều nam châm vĩnh cửu dọc theo đường ray báo hiệu cho một thiết bị phát hiện gắn trên các tàu. Lái tàu chỉ cần làm việc còn lại là về more chạy quán tính cho đến khi gặp biển thông báo tiếp theo.
Ở Pháp, các tuyến đường sắt cao tốc, tuyến liên kết Anh High Speed 1 Đường hầm eo biển Manche và trong Đường hầm eo biển Manche, các Phần Trung Lập này hoạt động tự động.
Ở Nhật Bản, các tuyến Shinkansen có các chuyển mạch mặt đất thay vì các Phần Trung Lập như trên. Các đoạn cảm biến được có tàu đang chạy trong đó và tự động thay đổi nguồn cấp trong khoản 0,3 giây, giúp loại bỏ sự cần thiết phải tắt nguồn bất cứ thời điểm nào.