鉄道の電化

鉄道の電化とは、鉄道輸送の推進力として電力を使用することです。電気鉄道では、電気機関車（別の車両で乗客または貨物を運ぶ）、電車（独自のモーターを備えた客車）、またはその両方を使用します。電気は通常、大規模で比較的効率的な発電所で発電され、鉄道網に送られ、列車に配給されます。一部の電気鉄道は専用の発電所と送電線を持っていますが、ほとんどの鉄道は電力会社から電力を購入しています。鉄道は通常、独自の配電線、スイッチ、変圧器を提供します。

走行中の列車への電力供給は、線路に沿って走る（ほぼ）連続した導体によって行われます。この導体は、通常、線路沿いの柱や塔、または構造物やトンネルの天井から吊り下げられた架空線、または線路レベルに取り付けられ、スライドする「ピックアップシュー」によって接触する第 3 レールのいずれかの形式をとります。架空線と第 3 レールのどちらのシステムでも、走行レールを戻り導体として使用しますが、一部のシステムでは、この目的で別の第 4 レールを使用します。

主な代替手段であるディーゼルエンジンと比較すると、電気鉄道はエネルギー効率が大幅に優れ、排出量が少なく、運用コストも低い。電気機関車は通常、ディーゼルよりも静かで、より強力で、応答性と信頼性に優れている。局所的な排出ガスがないため、トンネルや市街地では重要な利点となる。一部の電気牽引システムには回生ブレーキがあり、列車の運動エネルギーを電気に戻して供給システムに戻して、他の列車や一般の電力網で使用できる。ディーゼル機関車は石油製品を燃焼させるが、電気は再生可能エネルギーを含むさまざまな資源から生成できる。^[1]歴史的に、資源の独立性に対する懸念は、鉄道路線の電化の決定に影響を与えてきた。内陸国であるスイス連邦は、石油や石炭の埋蔵量がほとんどないが、水力発電が豊富であるため、2度の世界大戦中の供給問題への対応として、部分的に鉄道網を電化した。 ^{[2] [3]}

電気牽引の欠点としては、交通量の少ない路線では不経済となる可能性のある高い資本コスト、比較的柔軟性に欠ける点（電気列車には第三軌条または架線が必要であるため）、停電に対する脆弱性などが挙げられます。 ^[1] 電気ディーゼル機関車と電気ディーゼル機関車ユニットは、停電時や非電化路線でもディーゼル電力で走行できるため、これらの問題をある程度軽減します。

地域によって供給電圧や周波数が異なる場合があり、サービスが複雑になり、機関車の動力もより複雑になります。かつては、架空線とのクリアランスに関する二重積み鉄道輸送の懸念がありましたが^{[1] 、2022年現在では}インド鉄道^[4]と中国鉄道^{[5] [6] [7]}の両社が架空線の下で定期的に電動二重積み貨物列車を運行しており、これはもはや普遍的に当てはまりません。 ^{[アップデート]}

鉄道の電化は過去数十年にわたって着実に増加しており、2022年現在、電化された線路は世界の全線路の約3分の1を占めています。^{[8] [9]}

鉄道の電化とは、ディーゼルや蒸気動力の代わりに電気を使用して列車や機関車に動力を供給する開発です。鉄道の電化の歴史は、ベルリン、ロンドン、ニューヨークなどの都市で最初の電気路面電車が導入された19世紀後半にまで遡ります。

1881年、世界で初めて恒久的な鉄道電化がドイツのベルリンで行われたグロス・リヒターフェルデ路面電車によって行われた。^[10]架空線の電化は、1887年から1888年にかけてバージニア州リッチモンドのフランク・スプレーグによって初めて成功し、1890年代初頭までにさらに数百の路面鉄道システムが電化されることになった。^{[11] [12]}幹線鉄道の最初の電化は、1895年から1896年にかけて米国で行われた ボルチモア・アンド・オハイオ鉄道のボルチモア・ベルト線であった。

初期の鉄道電化では直流 (DC) 電力システムが使用されていましたが、電力を送電できる距離には制限がありました。しかし、20 世紀初頭には交流 (AC) 電力システムが開発され、より長い距離にわたってより効率的に電力を送電できるようになりました。

1920 年代から 1930 年代にかけて、世界中の多くの国が鉄道の電化を開始しました。ヨーロッパでは、スイス、スウェーデン、フランス、イタリアが鉄道の電化を早期に導入しました。米国では、ニューヨーク・ニューヘイブン・アンド・ハートフォード鉄道が電化された最初の主要鉄道の 1 つでした。

鉄道の電化は、技術の向上と高速列車や通勤列車の開発により、20世紀を通じて拡大し続けました。今日では、多くの国が広範囲に渡って電化された鉄道網を有しており、中国、インド、日本、フランス、ドイツ、イギリスを含む世界の 375,000 kmの標準路線。電化はディーゼルや蒸気動力よりも持続可能で環境に優しい代替手段と考えられており、多くの国の輸送インフラの重要な部分となっています。

電化システムは、主に次の 3 つのパラメータによって分類されます。

• 電圧
• 現在
  • 直流（DC）
  • 交流（AC）
    • 頻度
• 連絡システム
  • 架空線（カテナリー）
  • 第三レール
  • 第四レール
  • 地上電源

電化システムの選択は、貨物輸送と旅客輸送から得られる収益と比較したエネルギー供給、保守、資本コストの経済性に基づいて行われます。都市部と都市間地域では異なるシステムが使用されます。一部の電気機関車は、運用の柔軟性を確保するために異なる供給電圧に切り替えることができます。

最も一般的に使用される 6 つの電圧が、欧州および国際標準化のために選択されています。これらの電圧の一部は、使用される接触システムとは無関係であるため、たとえば 750  V  DC は、第三軌条線または架空線で使用できます。

世界中の鉄道電化システムには、他にも多くの電圧システムが使用されており、鉄道電化システムのリストには、標準電圧システムと非標準電圧システムの両方が含まれています。

標準化された電圧に許容される電圧範囲は、BS  EN  50163 ^[13]およびIEC  60850 ^[14]規格に規定されています。これらは、電流を引き込む列車の数と変電所からの距離を考慮に入れています。

1,500V  DCは、日本、インドネシア、香港（一部）、アイルランド、オーストラリア（一部）、フランス（一部）で使用されています。25 kV 50 Hz AC )、オランダ、ニュージーランド (ウェリントン)、シンガポール (北東 MRT 線) 、米国 (メトラ電力シカゴ地域、サウス ショア ライン都市間線、シアトルのリンク ライトレール) で使用されています。スロバキアでは、ハイ タトラスに 2 本の狭軌線 ( 1 つは歯車式鉄道) があります。オランダでは、主要系統で使用されているほか、HSL-ZuidとBetuwelijnの 25 kVと、マーストリヒト南部の 3,000 Vカスカイス線S トレインシステム ( 1650V DC ) で使用されています    

英国では、 1954年にウッドヘッド・トランス・ペナイン路線（現在は閉鎖）で1,500  V DCが使用されました。このシステムでは回生ブレーキが使用され、トンネルへの急勾配のアプローチで上り列車と下り列車の間でエネルギーを転送できました。このシステムはイーストロンドンとマンチェスターの郊外電化にも使用され、現在は25 kV ACに変更されています。現在はタイン・アンド・ウィア・メトロでのみ使用されています。インドでは、1,500 V DCは1925年にムンバイ地域で開始された最初の電化システムでした。2012年から2016年の間に、電化は全国システムである 25 kV 50 Hzに変更されました。      

3  kV DC は、ベルギー、イタリア、スペイン、ポーランド、スロバキア、スロベニア、南アフリカ、チリ、チェコ共和国北部、旧ソ連諸国、およびオランダのマーストリヒトとベルギーの間の数キロメートルで使用されています。以前は、モンタナ州ハーロウトンからシアトルまでのミルウォーキー鉄道（大陸分水嶺を越えてモンタナ州の広範囲にわたる支線とループ線を含む）で使用されていました。また、米国のデラウェア・ラカワナ・アンド・ウェスタン鉄道（現在はニュージャージー・トランジット、25 kV AC に変換）とインドのコルカタ郊外鉄道（バードマン本線）でも使用されていましたが、25 kV 50 Hz に変換されました。     

600  V から 750  V の DC 電圧は、ほとんどの路面電車やトロリーバスネットワーク、一部の地下鉄システムで使用されています。これは、車載変圧器の重量なしで牽引モーターがこの電圧を受け入れるためです。^{[引用が必要]}

高電圧半導体の利用可能性が高まると、これまでは交流でしか実用的ではなかった、より高く効率的な直流電圧の使用が可能になるかもしれない。^[15]

中電圧直流電化（MVDC）の使用は、標準周波数交流電化システムに関連する問題、特に供給グリッド負荷の不均衡と異なる相から電力供給される電化セクション間の相分離の可能性のいくつかを解決し、一方高電圧は送電をより効率的にする。^{[16] : 6–7} UICは、現在1.5kV直流で電化されているボルドー-アンダイエ鉄道線（フランス）を 9kV直流に変換するケーススタディを実施し 、この変換により、かさばらない架空線を使用でき（100 路線キロあたり2,000万ユーロの節約）、損失を減らすことができる（ 100路線キロあたり年間2GWhの節約 、約15万ユーロに相当）ことを発見した。選ばれた路線は、 更新が必要な総延長6,000kmの路線の1つである。^[17]

1960年代、ソ連は架空電圧を3kVから6kVに上げる実験を行った 。直流車両にはイグニトロンベースのコンバーターが装備され、供給電圧を3kVに下げた 。コンバーターは信頼性が低いことが判明し、実験は中止された。1970年にウラル電気機械鉄道技術者研究所は12kV DCでの鉄道電化の計算を行い、 25kV ACシステムと同等の損失レベルを11kVから16kVの直流電圧で達成できることを示した 。1980年代と1990年代には、レニングラード（現在のペテルブルグ）近くのオクトーバー鉄道で12kV DCの試験が行われていた。実験は資金の終了により1995年に終了した。^[18]

ほとんどの電化システムでは架空線が使用されていますが、1,500  V までは第三軌条がオプションとしてあります。第三軌条システムでは、ほぼ例外なく DC 配電が使用されます。第三軌条の寸法は、 AC が鋼鉄レールに浸透する 0.3 ミリメートルまたは 0.012 インチの表皮深さに比べて物理的に非常に大きいため、 AC の使用は通常実現可能ではありません。この影響により、単位長さあたりの抵抗が DC の使用と比較して許容できないほど高くなります。^[19]第三軌条は架空線よりもコンパクトで、より小さな直径のトンネルで使用できます。これは地下鉄システムにとって重要な要素です。^[要出典]

イギリスのロンドン地下鉄は、4線式レールシステムを採用している数少ないネットワークの1つです。追加のレールは、サードレールや架空ネットワークでは走行レールから供給される電気リターンを運びます。ロンドン地下鉄では、トップコンタクトサードレールが線路の横にあり、+420 V DC、トップコンタクトの第4レールは走行レール間の中央に位置し、−210 V DC、これらを組み合わせると牽引電圧が630 V DC 。ミラノ最古の地下鉄路線であるミラノ地下鉄1号線にも同じシステムが使用されており、最近の路線では架空架線または第三軌条が使用されています。

4 レール システムの主な利点は、どちらの走行レールにも電流が流れないことです。この方式が導入されたのは、接地された走行レールによって運ばれるはずの戻り電流が、代わりに鉄のトンネル ライニングを流れるという問題があったためです。トンネル セグメントが電気的に結合していないと、電解損傷やアーク放電を引き起こす可能性があります。戻り電流は、水道本管やガス本管を形成する近くの鉄管にも流れる傾向があるため、問題はさらに悪化しました。これらの一部、特にロンドンの地下鉄よりも古いビクトリア朝の本管は、電流を運ぶようには作られておらず、パイプ セグメント間の電気的結合が適切ではありませんでした。4 レール システムはこの問題を解決します。電源には人工的に作られたアース ポイントがありますが、この接続は抵抗器を使用して得られるため、漂遊アース電流が管理可能なレベルに保たれます。電力専用レールは、電流漏れを最小限に抑えるために絶縁性の高いセラミック チェアに取り付けることができますが、これは走行レールでは不可能です。走行レールは、列車の重量を支えるために、より強力な金属製のチェアに取り付ける必要があります。しかし、レールと椅子の間にエラストマーゴムパッドを配置すると、走行レールに漏れがあった場合に走行レールを電流リターンから絶縁することで、問題の一部を解決することができます。

バンクーバー・スカイトレインのエキスポ線とミレニアム線は、側面接触式第4軌条システムを採用しています。650 V DC電源。どちらも列車の側面に配置されており、走行レール間のスペースは、Innovia ARTシステムで使用されるリニア誘導推進システムの固定子の一部としてアルミニウム プレートで占められています。カナダ ラインはSkyTrain ネットワークの一部ですが、このシステムは使用せず、代わりに車輪に取り付けられたより伝統的なモーターと第 3 レール電化を使用しています。

フランスのパリ地下鉄のいくつかの路線は、4 レール電力システムで運行されています。列車は、鋼鉄製、場所によってはコンクリート製の2 つの狭い転輪路の上を転がるゴムタイヤの上を移動します。タイヤは戻り電流を伝導しないため、走行中の「転輪路」の外側に備えられた 2 つのガイド バーは、ある意味ではそれぞれ750 V DC を提供する第 3 および第 4 のレールとなり、少なくとも電気的には 4 レール システムとなります。動力付き台車の各輪軸には、 1 つのトラクション モーターが搭載されています。サイド スライド (サイド ランニング)コンタクト シューが、各ガイド バーの垂直面から電流を受け取ります。各トラクション モーターおよび各貨車の戻りは、各走行レールの上をスライドする 1 つのコンタクト シューによって行われます。この地下鉄と、幅が1,435 mm ( 4 フィート 8 インチ)のその他のすべてのゴムタイヤ式地下鉄は、同じです。+ロールウェイ間の1 ⁄ 2 インチ）標準軌の 線路も同様に動作します。^[20][21]

鉄道や電力会社が直流ではなく交流を使用するのも同じ理由からです。^[22]交流を必要とする変圧器を使用して、より高い電圧を生成するためです。 ^[23] 電圧が高いほど、同じ電力に対する電流は低くなります（電力は電流と電圧の積であるため）。また、電力損失は電流の2乗に比例します。電流が低いほど線路損失が減り、より高い電力を供給できるようになります。^[24]

交流は高電圧で使用されるため、機関車内部の変圧器が電圧を下げて牽引モーターや補助負荷に使用します。

交流の初期のメリットは、直流機関車で速度制御に使用されていた電力を浪費する抵抗器が交流機関車では不要だったことである。変圧器の複数のタップからさまざまな電圧を供給できる。^[25] 独立した低電圧変圧器の巻線が照明と補機を駆動するモーターに電力を供給している。最近では、非常に高出力の半導体の開発により、古典的な直流モーターは、周波数と電圧の両方を変化させてモーターの速度を制御する特殊なインバーターである可変周波数ドライブによって供給される三相誘導モーターに大きく置き換えられた。これらのドライブは、どの周波数の直流でも交流でも同様に動作し、現代の多くの電気機関車は国境を越えた操作を簡素化するために、異なる供給電圧と周波数を扱うことができるように設計されている。

ドイツ、オーストリア、スイス、ノルウェー、スウェーデンの5つのヨーロッパ諸国は15kVを標準化して いる16+2 ⁄ 3  Hz（50 Hzの主電源周波数を3で割ったもの）単相交流。1995年10月16日、ドイツ、オーストリア、スイスは16から+2 ⁄ 3  Hzから16.7 Hzに下げられたが、これはもはやグリッド周波数のちょうど3分の1ではなくなった。これにより、グリッド電源からこの電力の一部を生成するために使用されるロータリーコンバータの過熱問題が解決された。 ^[26]

米国では、ニューヨーク・ニューヘイブン・アンド・ハートフォード鉄道、ペンシルバニア鉄道、フィラデルフィア・アンド・レディング鉄道が11  kV 25  Hz 単相交流を採用しました。元の電化ネットワークの一部は 、電圧が 12 kV に昇圧されて現在も 25 Hzで動作していますが、他の部分は 12.5 または 25 kV 60 Hz  に変換されています。  

英国では、ロンドン・ブライトン・アンド・サウスコースト鉄道がロンドン郊外線の架空電化の先駆者となり、ロンドン・ブリッジからヴィクトリアまでの区間は1909年12月1日に開通した。 ヴィクトリアからバルハムおよびウェスト・ノーウッドを経由してクリスタル・パレスまでの区間は1911年5月に開通した。ペッカム・ライからウェスト・ノーウッドまでの区間は1912年6月に開通した。第一次世界大戦のため、それ以上の延長は行われなかった。1925年にサザン鉄道の下でコールズドン・ノースとサットン鉄道駅を結ぶ2つの路線が開通した。これらの路線は 6.7kV 25Hzで電化された 。1926年に全路線を直流第三軌条に転換することが発表され、1929年9月に最後の架空電力による電気サービスが開始された。

交流電力は、 北米（前述の 25  Hz ネットワークを除く）、西日本、韓国、台湾では 60 Hz で使用され、 ヨーロッパの多くの国、インド、サウジアラビア、東日本、旧ソ連諸国、西ヨーロッパの多くの高速線（従来の鉄道を今でも DC で運行している国を含むが、16.7 Hz を使用している国は除く 、上記参照）では 50 Hz で使用されています。このようなシステムのほとんどは 25  kV で動作しますが、 米国には 12.5 kV セクションがあり、 日本の一部の狭軌線では 20 kV が使用されています。「フランス方式」HSL では、架空線と「枕木」フィーダー線はそれぞれ レールに対して 25 kV を運びますが、位相が逆であるため、 互いに 50 kV 離れています。単巻変圧器が定期的に電圧を均等化します。^[要出典]

19 世紀後半から 20 世紀にかけてのさまざまな鉄道電化システムでは、電源と機関車の設計が容易なため、単相電力ではなく三相電力が利用されました。これらのシステムでは、標準ネットワーク周波数と 3 本の電力ケーブルを使用するか、周波数を下げて追加の架空線ではなく第三軌条を復路に使用できるようにしました。^{[引用が必要]}

現代の電化システムの大部分は、電力網から交流エネルギーを取り、機関車に供給し、機関車内で低い直流電圧に変換・整流して、トラクションモーターでの使用に備えています。これらのモーターは、直流を直接使用する直流モーターの場合もあれば、直流を可変周波数の三相交流（パワーエレクトロニクスを使用）にさらに変換する必要がある三相交流モーターの場合もあります。したがって、どちらのシステムも、電力網からの高電圧交流を機関車の低電圧直流に変換して輸送するという同じ課題に直面しています。交流電化システムと直流電化システムの違いは、交流が直流に変換される場所（変電所か列車上か）にあります。エネルギー効率とインフラコストによって、ネットワーク上でどちらを使用するかが決まりますが、既存の電化システムによってこれが固定されることがよくあります。

電気エネルギーの伝送と変換には、配線やパワーエレクトロニクスにおける抵抗損失、変圧器や平滑リアクトル（インダクタ）における磁場損失などの損失が伴います。^[27] DCシステムの電力変換は主に鉄道変電所で行われ、そこでは大きくて重い、より効率的なハードウェアを使用できます。一方、ACシステムでは、変換は機関車内で行われ、スペースが限られており、損失が大幅に高くなります。^[28]ただし、多くのAC電化システムで使用される高電圧により、長距離での送電損失が削減されるため、変電所の数を減らしたり、より強力な機関車を使用したりできます。また、変圧器、パワーエレクトロニクス（整流器を含む）、その他の変換ハードウェアを冷却するために送風するために使用されるエネルギーも考慮する必要があります。

標準的な AC 電化システムでは、標準的な DC システムよりもはるかに高い電圧が使用されます。電圧を上げる利点の 1 つは、一定レベルの電力を伝送するために必要な電流が低くなることです ( P = V × I )。電流を下げると、抵抗損失が減り、かさばらない軽量の架空線設備と、システムの電力容量を維持しながら牽引変電所間の間隔を広げることができます。一方、電圧が高くなると、より大きな絶縁ギャップが必要になり、インフラストラクチャの一部の要素を大きくする必要があります。標準周波数の AC システムは、供給グリッドに不均衡をもたらす可能性があり、慎重な計画と設計が必要です (各変電所で、3 つの相のうち 2 つから電力が供給されるため)。低周波数の AC システムは、別の発電および配電ネットワークまたはコンバータ変電所のネットワークによって電力を供給される場合があり、費用がかさみます。また、変電所と鉄道車両の両方で使用される低周波数変圧器は、特にかさばって重いです。DC システムは、伝送できる最大電力が制限されるだけでなく、漂遊 DC 電流による電気化学的腐食の原因にもなります。^{[16] : 3}

電気列車は原動機、トランスミッション、燃料 の重量を運ぶ必要がありません。これは電気機器の重量によって部分的に相殺されます。回生ブレーキは電力を電化システムに戻して、同じシステム上の他の列車が使用したり、一般的な電力網に戻したりできるようにします。これは、重い荷物を積んだ列車が長い勾配を下る必要がある山岳地帯で特に役立ちます。^[29]

中央発電所の電気は、多くの場合、移動式エンジン/発電機よりも高い効率で発電できます。発電所の発電とディーゼル機関車の発電の効率は、公称状態ではほぼ同じですが^[30]、ディーゼルモーターは低出力の非公称状態では効率が低下します^{[31]。一方、発電所の発電量を減らす必要がある場合は、最も効率の悪い発電機を停止し、効率を上げます。電気鉄道は、}回生ブレーキと、ディーゼル機関車が停止中または惰力走行中に行うアイドリングによるエネルギー消費が不要なため、ディーゼルに比べてエネルギーを節約できます。ただし、電気車両は停止中または惰力走行中に冷却送風機を稼働させることがあり、エネルギーを消費します。

大規模な化石燃料発電所は高効率で稼働しており、地域暖房や地域冷房に使用することができ、全体的な効率が高まります。^{[32] [33]電気鉄道システムの電力は、}再生可能エネルギー、原子力、または汚染物質や排出物を排出しないその他の低炭素源から供給することもできます。

電気機関車は、ほとんどのディーゼル機関車よりも大きな出力で簡単に製造できます。旅客運行の場合、ディーゼル エンジンで十分な出力を提供できます (「ICE TD」などを参照) が、高速ではコストがかかり、実用的ではありません。そのため、ほぼすべての高速列車は電気です。電気機関車の高出力により、勾配でも高速で貨物を牽引できます。混合交通状況では、列車間の時間を短縮できるため、容量が増加します。システムで列車の重量を増やす必要がある場合、電気機関車の高出力と電化は、勾配の緩やかな新しい鉄道よりも安価な代替手段にもなります。

一方、列車の運行コストの削減よりも電化インフラのコストの方が大きいため、運行頻度の低い路線では電化は適さない可能性があります。そのため、発展途上国や人口密度の低い国の長距離路線のほとんどは、列車の運行頻度が比較的低いため電化されていません。

ネットワーク効果は電化の大きな要因である。^[要出典]路線を電化する場合、他の路線との接続を考慮する必要がある。一部の電化は、非電化路線への直通交通のためにその後廃止された。^[要出典]直通交通に何らかの利点を持たせるには、そのような接続を行うために時間のかかるエンジンの切り替えが発生するか、高価なデュアルモードエンジンを使用する必要があります。これは主に長距離旅行の問題ですが、多くの路線は長距離貨物列車（通常は港との間で石炭、鉱石、またはコンテナを運ぶ）の直通交通によって占められるようになります。理論上は、これらの列車は電化によって大幅な節約を享受できる可能性がありますが、孤立した地域まで電化を拡張するにはコストがかかりすぎる可能性があり、ネットワーク全体が電化されない限り、区間が電化されていてもディーゼル列車の使用を継続する必要があることに気付くことがよくあります。コンテナ輸送の需要は増加しており、ダブルスタック車両を使用するとより効率的になりますが、既存の電化ではこれらの列車の架空電線のクリアランスが不十分なためネットワーク効果の問題も発生しますが、追加コストをかけて十分なクリアランスを確保できるように電化を構築または変更することは可能です。

電化路線に特有の問題は、電化のギャップである。電気自動車、特に機関車は、架空系統の位相変化ギャップや第三軌条系統のポイント上のギャップなど、供給のギャップを通過するときに電力を失う。機関車がデッドギャップで集電装置を止めた場合、再起動するための電力がなくなるため、これらのギャップは厄介になる。2台以上の複数ユニット が連結された列車では、この問題はそれほど大きくならない。その場合、列車がデッドギャップで1台の集電装置を止めた場合でも、別の複数ユニットが切断されたユニットを押したり引いたりして、再び電力を供給できるようになるまで続けることができるからである。同じことは、両端に機関車があるプッシュプル列車にも当てはまる。単一集電装置列車では、車載バッテリーまたはモーター・フライホイール・ジェネレーター・システムによって電力ギャップを克服できる。^{[要出典] 2014年には、駅間の電気自動車に電力を供給するための大型}コンデンサ の使用が進み、駅間の架空線の必要性がなくなりました。^[34]

電化により線路の保守コストは増加する可能性があるが、多くのシステムでは、車両の軽量化により線路の摩耗が減少するため、コストが低減すると主張している。^[35]変電所や架線自体など、線路周辺の電気設備に関連する追加の保守コストはあるものの、十分な交通量があれば、線路の短縮と、特に機関車の保守および運転コストの低減が、この保守コストを大幅に上回る。

新たに電化された路線では、しばしば「スパーク効果」が見られ、旅客鉄道システムの電化により利用者数や収益が大幅に増加する。^[36]理由としては、電車の方が近代的で乗り心地が良いとみなされていること、^{[37] [38]}より速く、より静かで、よりスムーズなサービスであること、^[36]電化は一般的なインフラや車両のオーバーホール/交換と並行して行われることが多く、サービス品質が向上する（理論的には電化なしで同様のアップグレードを行うことでも達成できる）ことなどが考えられる。スパーク効果の原因が何であれ、数十年にわたって電化された多数の路線で十分に確立されている。^{[36] [37]}これは、ディーゼルバスのバス路線がトロリーバスに置き換えられた場合にも当てはまる。架空線により、バスが走っていない場合でもサービスが「見える」ようになり、インフラの存在により、路線が長期的に運行されているという期待が与えられる。

架線の高さ制限により、コンテナ列車を2段積みにして電化線の下で運行することは従来困難で稀でした。しかし、インド、中国、アフリカ諸国の鉄道では、架線の高さを高くした新しい線路を敷設することで、この制限を克服しつつあります。

このような設備はインドの西部貨物専用回廊に設置されており、そこではワイヤーの高さが 7.45 メートル (24.4 フィート) で、貨車を必要とせずに 2 段積みのコンテナ列車を収容できます。

電気鉄道には、乗客が機関車の排気ガスにさらされることがないこと、機関車や機関車群の製造、運行、保守にかかるコストが低いことなど、多くの利点がある。電気鉄道はパワーウェイトレシオが高い（車内に燃料タンクがない）ため、機関車の数が少なくなり、加速が速くなり、実用的な出力限界が高くなり、速度限界が高くなり、騒音公害が少なくなる（静かな運行）という利点がある。加速が速いため、都市鉄道では線路をより早く空けることができ、より多くの列車を走らせることができる。^[39]

• 高高度でのパワーロスの低減（パワーロスについてはディーゼルエンジンを参照）
• 燃料価格の変動によるランニングコストの独立
• 安全上の理由によりディーゼル列車が運行できない地下駅へのサービス
• 化石燃料で発電した電力でも、特に人口密集都市部における環境汚染が軽減される
• スーパーキャパシタを使用した運動エネルギーブレーキ回収に容易に対応
• 列車の床下にディーゼルエンジンがないため、複数ユニットでより快適な乗り心地を実現
• 回生ブレーキと「アイドリング」時の電力損失が少ないため、エネルギー効率がいくらか向上^[40]
• より柔軟な一次エネルギー源：ディーゼル燃料の代わりに、石炭、天然ガス、原子力、再生可能エネルギー（水力、太陽光、風力）を一次エネルギー源として使用できます。
• ネットワーク全体が電化されれば、燃料補給所、保守ヤード、ディーゼル機関車などのディーゼル インフラストラクチャを廃止するか、他の用途に転用することができます。これは、そうでなければコストが高すぎるネットワークの最後の数路線を電化することを支持するビジネス ケースであることがよくあります。動力源が 1 種類だけであれば、車両の均一性も高まり、コストを削減することもできます。

• 電化コスト: 電化には、既存の線路の周囲に新しいインフラ全体を建設する必要があり、かなりのコストがかかります。トンネル、橋梁、その他の障害物をクリアランスのために変更する必要がある場合、コストは特に高くなります。電化コストを引き上げ得るもう 1 つの側面は、新しい交通特性に合わせて鉄道信号を変更またはアップグレードすること、および信号回路と軌道回路を牽引電流による干渉から保護することです。電化では通常、新しい機器を設置する間、線路を閉鎖する必要があります。
• 外観: 地上に信号設備がたまにしか設置されていない非電化線路や第三軌条電化線路と比較すると、架空線路の構造とケーブルは景観に大きな影響を与える可能性があります。
• 脆弱性と脆弱性: 架空電化システムは、軽微な機械的故障や強風の影響で走行中の列車のパンタグラフが架線に絡まり、電線が支持部から引きちぎられることで深刻な混乱をきたす可能性がある。被害は1本の線路への供給に限定されず、隣接する線路への供給にも及ぶことが多く、路線全体がかなり長い間遮断される。第三軌条システムは、寒い天候で導体レールに氷が形成されるために混乱をきたす可能性がある。^[42]
• 盗難：銅のスクラップ価値が高く、遠隔地に設置されているため、架空ケーブルは金属スクラップ泥棒にとって魅力的なターゲットとなっている。^[43]通電中の25kVケーブルを盗もうとすると、 感電死する恐れがある。^[44]英国では、ケーブル盗難は列車サービスの遅延や混乱の最大の原因の1つであると言われているが、これは通常、信号ケーブルに関連しており、ディーゼル線でも同様に問題となっている。^[45]
• 非互換性: ディーゼル列車は、電気がなくても、またはあらゆる種類の電気 (第三軌条または架空線、DC または AC、および任意の電圧または周波数) があっても、どの線路でも走行できます。ただし、電車の場合はそうではありません。電車は非電化線路では走行できず、電化線路であっても、装備されている単一または少数の電気システムでのみ走行できます。完全に電化されたネットワークであっても、破損または盗難された架空線の修理、または新しい線路の敷設など、保守および修理列車用にディーゼル機関車を数台保持しておくことは通常良い考えです。ただし、換気の問題により、ディーゼル列車は特定のトンネルや地下鉄駅で禁止される必要があり、ディーゼル列車の利点がいくらか軽減されます。
• 鳥は電荷の異なる部分に止まる可能性があり、動物も電化システムに触れる可能性があります。動物の死骸はキツネや他の腐肉食動物を引き寄せ、^[46]列車との衝突の危険をもたらします。
• 世界の鉄道網のほとんどでは、架空電線の高さのクリアランスは、2段積みコンテナ車やその他の異常に高い荷物を運ぶには不十分です。電化線を2段積みコンテナ列車を受け入れるのに適切なクリアランス（21フィート8インチまたは6.60メートル）にアップグレードするには、その上の橋を新しくするだけでなく、通常、標準化に違反する特別なパンタグラフが必要になり、特注の車両が必要になります^[要出典]。

2012年時点では、電化された線路は世界の線路総数の約3分の1を占めています。^[9]

 2018年現在、 25kV、50または60Hzで電化された鉄道は72,110km（44,810マイル）、3kV DC で電化された鉄道は68,890km（42,810マイル） 、 15kV 16.7または16で電化された鉄道は32,940km（20,470マイル）ありました。 +2 ⁄ 3  Hz、20,440 km（12,700 mi）が1.5 kV DCで電化されている。 ^{[16] : 2}

2023年現在、スイスの鉄道網は世界最大の完全電化ネットワークであり、鉄道輸送網の規模による国の一覧に記載されているように、これを達成したわずか11の国または地域のうちの1つです。その後、ラオス、モンテネグロ、インド、ベルギー、ジョージア、韓国、オランダ、日本の順に割合は低下し続け、他のすべての国では75%未満です。 ^{[47] [48]}全体として、中国が約100,000 km（62,000マイル）の電化鉄道で1位になり、インドが60,000 km（37,000マイル）を超える電化鉄道で続き、ロシアが54,000 km（34,000マイル）を超える電化鉄道で続きます。多くの国では電化鉄道がまったくなく、代わりにディーゼル機関車、機関車牽引サービス、および多くの代替輸送手段に依存しています。欧州連合には、電化鉄道（全長）が最も長く、114,000 km（71,000 マイル）を超える電化鉄道がありますが、これは鉄道総延長の約 55% を占めるにすぎません。

インド鉄道やイスラエル鉄道を含むいくつかの国が、鉄道網の全部または大部分を電化する計画を発表している。^[49]

ロシアを中心とするシベリア横断鉄道は完全に電化されており、世界でも最も長い電化鉄道の一つとなっている。^[50]

• ウィルナー、フランク (2012)。『アムトラック：過去、現在、未来』。シモンズ・ボードマン・ブックス、オマハ。ISBN 978-0911382-59-4。
• 「電化に乗り出す」。Permanent Way Institution Journal。139（1）。2021年1月。ISSN 2057-2425 –  PWI経由。
• キーナー、ギャリー。鉄道の架空線電化（第 6 版）。ISBN 978-0-903489-15-7。
• 「Network Rail 架空電化ガイド 改訂版 10」(PDF)。Network Rail。2015年 2 月。
• ノック、OS (1965)。英国の新鉄道：ユーストンからバーミンガム、ストーク・オン・トレント、クルー、リバプール、マンチェスターまでのロンドン・ミッドランド幹線の電化。ロンドン：イアン・アラン。OCLC 59003738  。
• ノック、OS (1974)。Electric Euston to Glasgow。イアン・アラン。ISBN 978-0711005303。
• ウォーカー、ロバート。シベリア横断鉄道百科事典。
• ウォルマー、クリスチャン（2013年）。『世界の果てまで：世界最大の鉄道、シベリア横断急行の物語』ロンドン：アトランティックブックス。ISBN 978-0857890375。
• 「炭素フットプリントの削減に向けたインド鉄道の電化」www.investindia.gov.in 。 2022年11月9日閲覧。
• 「鉄道の電化」。シーメンス・モビリティ・グローバル。 2023年2月17日閲覧。

• Moody, GT (1960)。「パート 1」。Southern Electric (第 3 版)。ロンドン: Ian Allan Ltd.
• Gomez-Exposito A.、Mauricio JM、Maza-Ortega JM「VSC ベースの MVDC 鉄道電化システム」IEEE 電力供給トランザクション、v. 29、no. 1、2014 年 2 月、pp.  422–431。( 24 kV DCを推奨)
• （ジェーンの）都市交通システム
• ハモンド、ジョン・ウィンスロップ（2011）[1941]。『人間とボルト：ゼネラル・エレクトリックの物語』。フィラデルフィア、ペンシルバニア州、ロンドン：ゼネラル・エレクトリック社、JBリッピンコット＆カンパニー、リテラリー・ライセンシング、LLC。ISBN 978-1-258-03284-5–インターネットアーカイブ経由。彼は、アーマチュアを車軸に直接接続し、ギアを一切使わずに動作する初のモーターを製作しました。
• マーティン、T. コマーフォード(1924)。ケンプファート、ヴァルデマール ベルンハルト (編)。アメリカ発明の一般向け歴史。第 1 巻。ロンドン、ニューヨーク:チャールズ スクリブナー サンズ–インターネット アーカイブ経由。
• マローン、デュマ（1928年）。シドニー・ハウ・ショート。第17巻。ロンドン、ニューヨーク：チャールズ・スクリブナー・サンズ。

• Винокуров В.А.、Попов Д.А. 「Электрические мазины железно-дорожного транспорта」（鉄道輸送の電気機械）、Москва、Транспорт、1986 年。ISBN 5-88998-425 -X、520 ページ。 
• Дмитриев, В.А., "Народнохозяйственная эффективность электрификации железных дорог и применения тепловозной тяги (鉄道電化とディーゼル牽引の応用による国家経済効果)、Москва、Транспорт 1976。
• Дробинский В.А.、Егунов П.М. 「Как устроен и работает тепловоз」（ディーゼル機関車の仕組み）第 3 版モスクワ、ロシア、1980年。
• Иванова В.Н. （編）「Конструкция и динамика тепловозов」（ディーゼル機関車の構造と動力学）。 Москва、Транспорт、1968 (教科書)。
• Калинин、В.К。 『Электровозы и электропоезда』 (電気機関車および電車セット) Москва、Транспорт、1991 ISBN 978-5-277-01046-4 
• Мирозниченко、Р.И.、「Режимы работы электрифициров​​анных участков」（[鉄道の]電化区間の運営制度）、Москва、Транспорт、 1982年。
• Перцовский、Л。 М。 「Энергетическая эффективность электрической тяги」（電気牽引のエネルギー効率）、Железнодорожный транспорт (雑誌)、#12、1974 ページ。 39歳以上
• Плакс、А.В。 & Пупынин、В。 Н.、「Электрические железные дороги」（電気鉄道）、Москва「Транспорт」1993。
• Сидоров Н.И.、Сидорожа Н.Н. 「Как устроен и работает электровоз」（電気機関車の仕組み）Москва、Транспорт、1988年（第5版）。 233 ページ、ISBN 978-5-277-00191-2。 1980年（第4版）。 
• Хомич А.З. Тупицын О.И.、Симсон А.Э. 「Экономия топлива и теплотехническая модернизация тепловозов」（ディーゼル機関車の燃料経済性と熱力学的近代化）。 Москва: Транспорт、1975。264 ページ。

• ウィキメディア・コモンズの電気鉄道輸送に関するメディア