交流電化
しかし、国鉄の運用に対する考え方から、交流・直流双方の電化区間を直通できる車両が求められた。そのため、交流電化区間を走る大半の車両(特に電車)が交直流両用車(EF80形電気機関車・401・421系電車など)となった。交直流両用車は高価である上に、直流車の構造を基本にしていることから、粘着係数が高いなどの利点を有しておらず、結果として交流電化のデメリットのみが残った形となった。また交直両用車は変圧器で降圧した単相交流をダイオードで整流して使ったことから交流への逆変換ができず、直流用車両が早期に実現していた高度な制御技術や回生ブレーキ化なども阻んだ。交直両用電車の主制御器は国鉄分割民営化まで、当時国鉄の中でももっとも旧態依然としたCS12形と改良型のCS15形のみだった。651系(スーパーひたち)において交直変換に逆潮流(電車線に電力を返す)可能なコンバーターが導入された結果、粘着特性の改善、界磁添加励磁制御による交直両用回生ブレーキの導入が行われたが、これも交流電化ならではのメリットではなく、交流化でも直流車両としての性能を発揮できるようにしただけである。
1990年代以降は直流・交流を問わず可変電圧可変周波数制御が普及していったが、単相交流を直接三相交流に変換するマトリックスコンバータは鉄道用の大電力で運用可能なものが存在せず、結果として交流専用の電車であっても主変換装置を用いて単相交流をいったん直流に変換(コンバート)してから三相交流に再変換(インバート)するという、交直流電車に類似した構成がとられている。
JR化後の現代においても交直流車両には交流専用車両と同じく、重量のある銅と鉄の塊である主変圧器を搭載しなければならないことから、逆潮流のできるコンバーターとVVVFインバーターとの組み合わせであっても、直流区間においては主変圧器他の特別高圧機器はただの死重にしかならず、またコンバーターの入力電源は直流区間の仕様に合わせる必要が有ることから、設計で考慮すべき事項が増えることとなる。外国の高速列車のように電力供給のふんだんな交流電化新線を高速で走る機能を中心に据え、在来線ターミナル乗り入れに部分出力の直流電化対応機能で済ますといったすみ分けが存在するのではなく、両区間とも同等の性能を追求したことから、少なくとも日本において交直流車両のデメリットの本質は現在に至るまでまったく変わっていない。このため、683系→289系など、交直流車両を直流区間に転用するのに当たって、不要となる交流機器を撤去する例が見られる。
なお、当初は変圧器の設計周波数により変圧器の構造の最適化を行ったことから電源周波数に応じて異なる形式の車両を準備した(ED70形電気機関車・421系電車・475系電車が60 Hz、ED71形電気機関車・401系電車・455系電車が50 Hz)が、後に50Hz用変圧器が基本的に60Hzで動作できるので両周波数用仕様を定めて50 / 60 Hz両対応の車両が開発された(EF81形電気機関車・485系電車・583系電車・415系電車・457系電車など。583系には60Hz専用の581型はあるが「50Hz専用車」が存在しない。50Hz用変圧器が元々50/60Hz両用可能だから)。
駅構内の電気要員の指示で直流と交流を随時切り替える方式。直流専用車または交流専用車を使用することができるが、地上設備が複雑になる。
日本では、直流・交流電化区間の接続第一号である仙山線作並駅と、東北本線黒磯駅、奥羽本線(福島 - 庭坂間の福島第二機関区付近の本線上)で採用された。作並駅と奥羽本線の切換設備は仙山線および奥羽本線の全線交流化により消滅し、黒磯駅のみ残っていたが、2018年1月1日 - 3日に黒磯 - 高久間にデッドセクションを設置し、車上切換方式へと切り替えられた。
交直デッドセクション(無電流区間)を挟んで接続する方式。地上切換方式に比べ地上設備が大幅に簡略化できる。無停車通過を前提とするため、列車自体の到達時間も短縮する。電気車両の直通は、直流専用車両に変圧器と整流器を搭載した交直両用車を用いる事が前提となるため、通過する車両の製造価格が高価につく。
日本においては、両電化区間の列車直通を前提とする常磐線取手 - 勝田間の電化にあたり取手 - 藤代間で採用された。その後、交流と直流の電化区間を接続する標準的な方法として普及する。デッドセクションの通過時は、モーターに電流を流すのを一時停止し、惰性で走行することにより両区間を渡る。交直切替の詳細と地上設備の設置場所はデッドセクションを参照。
東海道新幹線と北陸新幹線は、2つの周波数地域を跨ぐ路線を持つ。このうち東海道新幹線は、東京駅から静岡県内に至る50 Hz地域でも、綱島、西相模の周波数変換変電所に横軸型同期周波数変換機を備えて、60 Hz電源に統一した。開業当時の技術でも両周波数対応の電車を製作することは可能であったが、50 Hz区間は、東海道新幹線の当初の開業時点でも全体の4分の1程度であり、博多開業を想定すると10分の1程度になる。50 Hz対応のために大部分を占める60 Hz区間で無駄となる装備を載せて走ることは不合理となる。開業時点の車両数の少ない時点では、車上で対応した方が安いと試算されたが、将来的な編成数増加の見込みもあって、経済的な観点から地上で周波数を統一する方式を採用することにしたものである。なお、開業後に浜松町変電所・沼津変電所にも周波数変換機を設けたため、現在は4箇所に周波数変換変電所が存在する。周波数変換はロスが多く、富士川以西から送電線を整備して60 Hzを給電した方が合理的であるが、電力購入先の規制によりやむなくの東京電力の50 Hz電源を周波数変換のうえ使用している。
一方、北陸新幹線は東京 - 高崎で50 Hzを採用する東北新幹線・上越新幹線に乗り入れるため、複周波数対応の新幹線車両200系・E2系・E4系の一部編成とE7系・W7系の全編成を使用し、軽井沢駅 - 佐久平駅・上越妙高駅 - 糸魚川駅・糸魚川駅 - 黒部宇奈月温泉駅の3か所で50 Hzと60 Hzとを切り替える。
なお異周波接続の方式に関しても、デッドセクションを参照されたい。
最初の幹線電化事例である北陸本線は、前後区間や富山港線(2006年に富山ライトレールに譲渡)が直流電化であり、交流電化区間として孤立した存在となっていた。そのため、列車直通におけるデメリットが目立つようになっていた(高山本線電化計画時にも問題のひとつとなった)。北陸本線富山駅以東の電化時、直流での電化と既電化区間の直流転換が検討されたが、改修費用が過大であることと切替時の取扱いが煩雑さから、交流電化が継続されることとなった。その後、北陸本線と接続する七尾線、小浜線では直流電化が採用されたほか、1991年には田村 - 長浜間が、2006年には長浜 - 敦賀間と、これに接続する湖西線近江塩津 - 永原間が、それぞれ直流電化に切り替えられている。
九州との関係が密な山口県西部でも同様な状況である。国鉄時代に山陽本線や中央本線が電化されたとき、山陽本線岡山以西 および中央本線多治見 - 甲府間については交流電化とする検討もされていたが、車両運用・所要車両数などを精査した結果、門司までおよび中央本線全線を直流とし、九州島内は交流電化とする決定がなされた。鹿児島本線荒木駅以南の電化の際、直流での電化と既電化区間の直流転換が検討されたが、交流電化が継続されることとなった。電化後は交直両用電車が関門トンネルを越えて運用されていたが、2005年には山陽本線の普通列車はすべてJR西日本との境界となる下関駅で分断された。
茨城県内の常磐線(取手駅以北)・水戸線(小山 - 小田林間の一部を除く)・首都圏新都市鉄道つくばエクスプレス線(守谷駅以北)は、交流電化である。これは同県石岡市柿岡に気象庁地磁気観測所があり、直流電流を流すと、レールに流れる帰線電流の一部が地上に漏洩して地磁気観測に影響を与える可能性があるためであり、そのため、電気事業法・電気設備に関する技術基準を定める省令の各法令電気設備に関する技術基準を定める省令 第43条 直流の電線路、電車線路及び帰線は、地球磁気観測所又は地球電気観測所に対して観測上の障害を及ぼさないように施設しなければならない。によって、観測所の半径約30 - 40 km以内では直流電化を採用できないのである。交流電化であれば漏洩電流が小さいため、観測所の測定機器類に対する影響を低く抑えることができる。
ただし、方法によっては直流電化も不可能ではなく、過去には、1920 - 30年代において水戸電気鉄道(ただし電化は電気鉄道の免許が下りず計画のみに終わる)や常南電気鉄道では、当時の路面電車が多用した複式架線方式で上記の問題を解決しているが、一方で同方式は高速運転には不向きである。水戸市を起点とする直流電化路線として1966年まで存在した茨城交通水浜線の対応については600Vで大地への洩電流も少ないためか影響があった旨を記述した文献はない。
また、東京圏のベッドタウンとして、沿線に新取手・戸頭・パークシティ守谷・常総ニュータウン(新守谷・南守谷・絹の台)といったニュータウンの造成・大規模開発が進み、1970年代 - 1980年代にかけて通勤輸送需要が急増した関東鉄道常総線では、輸送力増強のために同線の電化検討として気象庁立ち会いのもとで直直デッドセクション方式(通電区間を数km単位に細分化し、それぞれの通電区間に1変電所を設置。通電区間毎に絶縁する方式)の試験を行い、この方式ならば直流電化でも地磁気観測に影響がないことの確認を行った。しかし、非常に多くの変電所を建設しなければならないため、コスト的に見合わず、結果的に電化を断念している。同県内では、常陸太田市と日立市を結ぶ直流電化路線として2005年(平成17年)まで存在した日立電鉄線において、桜川、久慈浜、常陸岡田の3箇所に変電所をおよそ7 km間隔で設置することで対処していた事例が存在する。隣県の千葉県内を走る内房線では、柿岡と同様に地磁気への影響が問題となる鹿野山測地観測所近辺の区間を、同方式で直流電化している。
国鉄時代には電化区間のみを走行する「架線下DC」列車が数多く存在し、非合理といわれたが、これも非電化区間との車両共用、既存の気動車の活用(高価な交直両用電車新製の抑制)が主な理由であったが、年々悪化する労使関係もその背景にあった動力の種類によって動力車操縦者の免許、整備資格、配置区(主に一般形と急行形の気動車は機関区に、電車は電車区に配置される)が異なる。動力方式の切り替えや新形車の導入のたび、リストラ(職場や人員の整理)を推進したい本社や各鉄道管理局と、それによって雇用が脅かされるとする労働組合が対立し、折衝に多大な時間と労力を要するようになっていた。。これらのような「電化区間の普通列車がすべて気動車」という例は、かつては湖西線近江今津 - 近江塩津・敦賀駅間直通運用および田沢湖線などにも見られ、郵便荷物輸送の問題もあって客車列車のみが電気機関車牽引という例が各地で見られた。郵便荷物輸送が廃止されて民営化された1987年(昭和62年)4月1日時点でも、東日本旅客鉄道(JR東日本)東北地区の路線(仙台支社エリアと常磐線を除く)を中心に、客車(電気機関車)と気動車を混用する運用が多かった。他の区間では非電化区間に隣接した電化区間で気動車を間合い運用・送り込み運用する程度の細々としたものになっている。
羽越本線では、村上 - 間島駅間に交直のデッドセクションが存在するが、管轄のJR東日本新潟支社は普通列車用の交直流電車を保有していないため、デッドセクションを通過する特急列車・貨物列車は双方の電源に対応した電車もしくは電気機関車による牽引であるが、普通列車はGV-E400系などの気動車を使用している。かつては電気機関車牽引の客車列車もあったが、動力近代化のため客車列車を廃止して機関車と客車を淘汰する方針により、すべて気動車に置き換えられた。このほか臨時列車では、485系を改造したジョイフルトレイン「きらきらうえつ」が同区間で快速列車として運用されていたが、こちらも気動車のHB-E300系「海里」に置き換えられている。
これ以外では江差線→道南いさりび鉄道(五稜郭 - 木古内駅間)が、同様に電化当初から普通列車の全列車を気動車で運行しているほか、2012年(平成24年)10月には、室蘭本線苫小牧 - 室蘭駅間の普通列車が、特急「すずらん」の間合い運用となる東室蘭 - 室蘭駅間の普通列車を除き、全てワンマン気動車に置き換えられている。なお、北海道では、海峡線との直通列車を除き、電化・非電化区間に関わらず日本貨物鉄道(JR貨物)の貨物列車もディーゼル機関車が牽引を行う国鉄時代は函館本線小樽 - 小樽築港 - 札幌貨物ターミナル - 旭川駅の貨物列車にもED76形電気機関車が使われていた。。
過去の例では、東北本線黒磯 - 新白河駅間で運行する列車が従来の交流電車から交直流電車のE531系とキハ110系に切り替わった が、2020年3月14日改正で全列車がE531系に置き換えられ、同時にワンマン運転を開始した。日豊本線でも佐伯 - 延岡駅間を走る普通列車が2009年10月からキハ220形気動車に置き換えられたが、2018年3月17日のダイヤ改正で全列車が特急形車両の787系(特急「にちりん」「ひゅうが」の間合い運用)に置き換えられている。
2015年(平成27年)5月に運転開始した仙石東北ラインでは仙石線が直流電化、東北本線が交流電化と電化方式が異なるため、両線を結ぶ連絡線は非電化としたうえで、ハイブリッドシステムをもつ気動車のHB-E210系を新造して、仙石東北ライン専用の車両としている。
肥薩おれんじ鉄道では、路線そのものはJR九州から引き継いで20000 Vの交流電化である。しかし、自社の列車運行は維持経費を削減するため気動車を採用している。電化設備を残しているのは第2種鉄道事業者としてJR貨物・JR九州の列車を通過させるためで、このうち電気運転を行っているのは貨物列車のみであるなお、JR九州は2020年秋から787系を改造したD&S列車「36ぷらす3」を運行開始し同線も経由するため、路線転換後初となる電車による旅客列車が運行される。。北陸本線の新潟県内区間を引き継いだえちごトキめき鉄道日本海ひすいラインも、同様に自社の普通列車は気動車を使用しており、貨物列車とあいの風とやま鉄道とJR東日本からの直通列車のみが電気運転をしている。
また、2022年の西九州新幹線の部分暫定開業により、並行在来線として一般社団法人佐賀・長崎鉄道管理センターが施設を保有し、JR九州が列車を運行する上下分離方式に移行する長崎本線の一部区間のうち、肥前浜 - 諫早駅間については施設維持費節約の観点から電化設備を撤去し、気動車などの非電化列車で運行することが決定しており、並行在来線における初の電化設備の撤去事例となった。また、諫早 - 長崎駅(市布駅経由新線)も前述の肥前浜 - 諫早間の電化設備撤去により孤立した電化区間となり電車の運用が難しいことから、同様に非電化化を実施している。
ここに記述した路線および区間の多くは輸送密度の低い区間であるが、1両編成での運転ができる営業用の交流・交直流電車が2010年代の現在でも存在しないため、電車では最短でも2両編成にせざるを得ず、運行区間および時間帯によっては2両運転でも輸送力過剰になることがある。このため、交流電化区間において列車の1両編成運転を行なうには気動車運転しか選択肢がないのが現状である。
20世紀初頭より低周波交流(15000 V, 16\frac{2}{3} Hz)が採用され、幹線鉄道の電化区間の大半がこの方式を採用している。
ドイツの超高速鉄道、ICEもこの方式を採用。一方、都市圏の通勤電車であるSバーンも、大半がこの方式を採用し、都市の地下鉄道での数少ない交流電化区間を持つ。
ナローゲージでも、オーストリア国鉄のマリアツェル線(6500 V, 25 Hz)のように、交流電化の事例がある。
第二次世界大戦前は、直流1500 Vによる電化が行われていたが、1952年に商用周波数による交流電化(25000 V, 50 Hz)が実現し、以降の電化区間ではこの方式を採用している。超高速鉄道のTGVも同様である。現在、北部・東部地域の在来線と、LGV全線(TGV用の高速新線)が交流電化である。パリを基準に言えば、サンラザール駅・北駅・東駅から出る列車が向かう地域が交流電化である。また南部や西部でもマルセイユ以東やアルプス地方の一部、ブルターニュ地方などに交流電化の区間がある。なお、近年のフランス国鉄の電気機関車やTGVは交直両用で設計されており、交流専用機はBB15000形を最後に開発されていない。
現存するものは、低周波方式(11500 V, 25 Hz 旧ペンシルバニア鉄道など)と一般的な商用周波数方式(12500 V, 60 Hz、25000 V, 60 Hz)である。
なお、20世紀初頭にアメリカ各地で発達したインターアーバンでも、低周波交流電化が実施された路線が存在したが、デメリットが多く1910年以降このシステムの採用はなくなる。導入した会社も直流化、ディーゼル化、廃止の方向をたどり、1945年を最後にこの方式の商用周波数交流電化は消滅した。
1973年、ヨーロッパ(主にフランス)の技術協力により、ソウルと東海岸を結ぶ中央線・嶺東線の一部と太白線の電化が実現した(嶺東線はその後、2005年までに全線が電化された)。この区間は山岳路線である上、太白山脈から産出される無煙炭を輸送することから「産業線」と位置付けられていた。25000 V, 60 Hzを採用している。さらにその後、ソウル首都圏の通勤路線(首都圏電鉄→広域電鉄)の電化が進められている。
一方で長距離鉄道は、変電所への攻撃を避けるという軍事的理由により、ほとんどの幹線鉄道が非電化のままだった。21世紀に入り、KTX開業による乗り入れや、一般列車の高速化のため、まず主要幹線である京釜線(2006年完了)と湖南線(2003年完了)で路線改良と共に電化を実施。他の路線でも順次電化を進めている。
なお、広域電鉄のうち果川線と盆唐線は、世界的にも珍しい商用周波数方式の交流電化を採用した地下鉄である。
1970年代後半、イギリスの技術協力により電化が実現した(25000 V, 60 Hz)。長らく西部幹線の基隆 - 台北 - 高雄のみであったが、1990年代以降に延伸。現在は西部幹線の基隆 - 潮州、東部幹線の八堵 - 知本、南迴線の全区間が電化され、全ての幹線路線が電化された。また、台湾高速鉄道も同様の電圧・周波数で電化されている。
特別高圧の交流電化では架線の半径約 2 m 以内に近寄るだけで感電の危険がある。このため交流電化路線では、踏切等で見られる一般的な注意喚起に加えて、線路をオーバーパスする跨線橋上にも「高電圧危険」などの標識や防護柵が設置されており、架線柱や車両基地では「高圧注意」、「昇柱禁止」と書かれた標識が設置されるなど、直流電化以上の注意喚起や対策が施されている。
七尾線は1991年の電化の際、直通運転される北陸本線が交流電化されているにも関わらず直流が選択された。これは、宝達駅付近にある天井川をくぐる既存トンネルにおいて、高電圧から来る絶縁破壊対策などの費用問題があったためである。このため、北陸本線(現:IRいしかわ鉄道線)との接続地点になる津幡駅付近にデッドセクションが設けられ、運行上の起点駅である金沢駅からの交直流電車による運転となっている。これに際して交直両用車両は新造されず、直流電化区間で運行されていた「北近畿」に使用されていた485系電車から、不要となった交流用機器を113系電車に移植し、415系800番台として必要両数をまかなっている。
仙山線で行われた試験の技術資料や携わった技術者・機関士の証言記録は、東北福祉大学が東北福祉大前駅の開設に合わせオープンさせた「鉄道交流ステーション」が収集・展示している。