交流電化
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。
交流車は粘着係数が高いという長所を持つ。直流車では低速で電動機を直列につなぐが、電流一定のために、ある電動機で空転が始まってもトルクが下がらず回転数がむしろ上がる傾向になる。一方交流車では一般に並列接続であるので、回転が上がるとその電動機に流れる電流が減少してトルクが下がり、容易に再粘着する。また、以前の直流車で一般的であった抵抗制御では、加速(力行)中に限流値により一段ごと抵抗を抜く時に電流が一時的に増大して空転を起こしやすいのに対し、タップまたはサイリスタにより連続的に電圧を変えられる交流車は優位であり、一時は交流電気機関車のD級(動軸数4)は直流電気機関車のF級(動軸数6)に匹敵すると評された。
ただし、後に直流車・交流車の区別なくVVVFインバータ制御方式が主流となり、再粘着制御が容易に行えることから、この点における交流車としての利点は少なくなっている。
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。
茨城県内の電化と地磁気観測所
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。
沿革に記したように、当初フランスから交流電気車(BB12000とBB13000相当)のサンプル輸入を検討したが、諸般の事情により欧州の技術情報を基に独自開発となった。メーカー側は、日本の鉄道事情を考慮して重量級で大型とならざるを得ない電動発電機式や回転式変換機方式ではなく、変圧器の2次側のタップ切り替えによる低圧タップ制御により得た降圧した交流を用いて交流整流子電動機を駆動させる直接式、または高圧側に前置した単巻変圧器のタップで切り替えを行なってから降圧変圧器で降圧する高圧タップ制御または変圧器の2次側のタップ切り替えにより降圧する低圧タップ制御により降圧した交流を水銀整流器で直流に変換して直流直巻電動機を駆動させる間接式を試作した。
1955年に、前者の方式のED44形(のちのED90形 日立製作所製)と後者の方式のED45形(のちのED91形 三菱電機・新三菱重工製)がつくられ、仙山線で試験が行われた。この結果、所期の成果を発揮した整流式の採用が決まった。なお、保守面で問題の多い水銀整流器に代わって、1961年製のEF70形からシリコン整流器が採用され、既存形式も順次載せ替えが行われた。
交流電化当初は交流専用車(ED70形・ED71形電気機関車)が開発され使用された。 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。