交流電化
この後、旧・日本国有鉄道の新規電化区間のうち、北海道、東北、九州の各地方および茨城県内と北陸本線で交流電化(一部区間を除く)が採用された。この時の電圧20 KVは、当時の直流変電所への標準的な供給電圧であり、日本の特別高圧送電網末端の電圧規格に基いたものである。新幹線の25 KVは送電損失低減からなるべく高い電圧を求めて「国際標準」としてフランスなどヨーロッパ系の供給電圧を採用したものである。
一方で私鉄では、必要な路線はほとんどが1965年頃までに電化されたがすべて直流電化であった。その後も既存区間との直通や、設備投資のコストなどが要因で、交流電化は実施されなかった。
阿武隈急行は元の国鉄丸森線だが、経営分離後の1988年(昭和63年)に電化された。そのため、同社が私鉄における交流電化採用の最初の事例となる。
現在でも新幹線の並行在来線として国鉄またはJRから分離された路線を除くと、首都圏新都市鉄道の守谷 - つくば間(2005年〈平成17年〉開業)と、仙台空港鉄道(2007年〈平成19年〉開業)で実施されているのみである。前者は通常であれば直流電化が適当と考えられる性格と距離であるが、常磐線と同じく、茨城県石岡市にある気象庁地磁気観測所への影響を考慮したものである。
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。実際に2008年、当時は地上で交直流の切り替えが行われていた東北本線の黒磯駅構内で、保守点検中に作業員が感電死する事故が発生し、これを契機に2018年に黒磯駅構内を直流化し、デッドセクションを盛岡寄りに新設する事で構内停止時の交直流切り替えから、通過中に切り替える方式に変更されている。
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かか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。
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。
その方法として3 - 4 kmごとに電車線にセクションを設け、そこに電車線と負饋電線との間に吸上変圧器(ブースタートランス)を接続し、電車線の電流により吸上変圧器がレールの帰線電流を強制的に負饋電線に吸上げて電磁誘導障害を軽減させるBT饋電方式、10 - 15 kmごとに電車線・レール・饋電線との間を接続した単巻変圧器を設置して、帰線電流を単巻変圧器を介して饋電線に吸上げて、誘導障害を軽減させるAT饋電方式がある。
変電所と饋電回路には過電流や地絡電流などによる故障電流や内部故障などから機器・電源系統を保護するため、さまざまな保護継電器が取付けられている。変電所内では受電側に過電流継電器・接地継電器・不足電圧継電器を、変圧器内の内部故障の検出に、変圧器の温度・油量・圧力・油流および過電流継電器をそれぞれ設置し、受電用遮断器を作動させて、機器等の故障による事故の波及を防ぐ。特徴的な保護継電器装置として、容量が10 MVAの変圧器の場合、変圧器の1次側電流と2次側電流を比較する比率差動継電器が設けられる。またAT饋電用変電所での饋電母線の地絡検出において、計器用変圧器 (VT) に中性点接地形VT(EVT)を使用しており、VTの2次側の電圧上昇を検知することで地絡を検出する。電車線側の饋電回路には、特別高圧を使用しているため、車両故障・架線故障・飛来物・鳥害・碍子閃絡・樹木接触などでの故障では故障電流が大きいため、早期に故障を検知して電流を遮断する必要がある。通常の動力車の走行では反応せず、故障電流だけを的確に検出するため、変電所では、変電所から故障点までの距離により保護特性が定まる距離継電器、饋電電流の変化が一定値以上の場合に動作する交流ΔI形故障選択継電器、不足電圧を検知する不足電圧継電器、過電流を検知する過電流継電器により動作原理の異なる保護継電器を組み合わせて検知を行い饋電用遮断器を作動させて保護する。
この技術は第二次世界大戦でドイツが敗戦した後に、この地を占領統治したフランスが接収する。その後、1950年頃からヘレンタール線での資材を転用して自国領内のサボア線を20000V・50Hzで電化して、変圧器タップ制御により交流整流子電動機を使う方式と高圧タップ切替・水銀整流器を用いて直流直巻電動機を使う方式の2種類の機関車を試作して試用した結果、優れた性能が確かめられ、その試験結果が1951年10月にアヌシィで「アヌシィ・レポート」として公表された。サボア線での成功の後にフランスの鉱山重工業地帯にある北部幹線のヴァランジエンヌとティオンブルの間を20000V・50Hzで電化し、試験を続行。1954年にはサボア線で試作した2種類に別の方式の2種類を加えて4種類の機関車を計105両を製造して交流電化に適した方式を見定めようと本格的な営業運転を開始した。これは
高圧タップ制御により水銀整流器を用いて直流直巻電動機を使う方式(BB12000形)
変圧器タップ制御により交流整流子電動機を使う方式(BB13000形)
回転機による三相変換・周波数変換機を用い三相交流誘導電動機を動かす方式(CC14000形)
単相同期電動機で直流発電機を動かし、その発生電力で直流直巻電動機を動かす方式(CC14100形)
である。この結果、BB12000形が最も良い結果を納め148両が製造された。 またCC形は、重量貨物機として設計されたものでCC14100が20両なのに対し、CC14000が102両製造されている。
以降、世界的に商用周波数交流電化と、車両上で整流の上で直流電気に変換する方式が広まった。