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  採用軌道供電的電氣化鐵路通常鋪設額外的供電軌道,用來連線電網和機車,為機車提供電力供應,亦被稱為第三軌供電,這條軌道被稱為第三軌。也有少數鐵路使用第四軌(例如倫敦地鐵)作為電流回路。

  架空電纜(或高架電纜),在中國大陸稱為接觸網供電,在臺灣稱為架空電車線供電。相對而言,在中國大陸和臺灣架空電纜和高架電纜一般是指高壓輸電線路。  架空電纜由電力機車或動車組的架式集電弓連線,從鐵路的供電電網取電。導線通過列車正常的執行軌道接地形成迴路,分為柔性和剛性兩種。架空電纜同時具有高壓輸電道的好處,例如日本京急線。此外,較新的鐵路亦有采用剛性電纜,並可過渡至一般高架電纜。

  如果不使用外部連續供電,可以藉助充放電快速且功率密度高的超級電容使電力列車暫時擺脫執行沿途的供電線路,在非電化鐵路或交流電鐵路中的中性區行駛。但需要在特定的供電點——例如車站——進行充電來補充消耗的電能。例如廣州市內的有軌電車系統:廣州市海珠環島新型有軌電車

  下表列出了國際標準及歐洲標準(EN)中,最常見的六款電氣化鐵路電壓。

  

  早期的電氣化鐵路採用電壓相對低的直流供電。機車或動車組的電動機直接連線在電網主線上,通過並聯或串聯在電動機上的電阻和繼電器來進行控制。隨著電力電子學的出現,利用電子零件作開關,便可改變直流電電壓的有效值,利用逆變器可以把直流電變成交流電,而且頻率可以控制。因此,直流及交流電動機均可以使用。  通常有軌電車和地鐵的電壓是600V,750V和1500V,鐵路使用1500V和3000V。過去車輛使用旋轉變流器來將交流電轉換為直流電。現在一般使用半導體整流器完成這個工作。  採用直流供電的系統比較簡單,但是它需要較粗的導線,供電站之間距離也較短,並且直流線路有顯著的電阻損失。  荷蘭、日本、澳大利亞、印尼、香港、馬來西亞、丹麥的一些地區、法國的少數地區和中國大陸部分城市軌道交通系統以及路外工礦企業的線路使用1500V的直流電,其中,荷蘭實際使用的電壓大約有1600V到1700V。  比利時、義大利、西班牙、波蘭、捷克北部、斯洛伐克、前南斯拉夫、前蘇聯使用3000V直流電。

  一些歐洲國家使用低頻交流電來給電力機車供電。德國、奧地利和瑞士使用15kV 16.7Hz交流電。  15kV系統原本以同步發電機供電,但後來使用感生發電機供電。以Hz運作時,感生發電機會出現直流分量,並導致過熱問題。作為解決方案,供電頻率由原本工頻的隨意地改成16.7Hz,同時,此頻率也落在原本Hz的允許範圍內,確保了鐵路可正常運作。在挪威和瑞典,以同步發電機供電的鐵路系統則繼續使用Hz。  美國使用11000V或12500V 25Hz的交流電。機車的電機通過可調變壓器來控制。

  匈牙利曾經在二十世紀三十年代在電氣化鐵路上使用50Hz的交流電。然而直到五十年代以後才被廣泛使用。  目前,一些電氣化機車使用變壓器和整流器來提供低壓脈動直流電給電動機使用,通過調節變壓器來控制電動機速度。另一些則使用可控矽或場效電晶體來產生突變交流或變頻交流電來供應給機車的交流電機。  這樣的供電形式比較經濟,但是也存在缺點:外部電力系統的相位負荷不等,而且還會產生顯著的電磁干擾。  中國大陸、香港(港鐵系統內前九鐵公司路線,包括東鐵線、西鐵線、屯馬線,以及廣深港高鐵香港段)、法國、英國、芬蘭、丹麥、前蘇聯、前南斯拉夫、西班牙(標準軌高鐵路段)、東日本(東北、上越、北海道新幹線及北陸新幹線輕井澤以東)使用單相25000V50Hz電力供應,臺灣高速鐵路、臺灣鐵路管理局、韓國、西日本(東海道、山陽、九州新幹線及北陸新幹線輕井澤以西)使用單相25000V60Hz電力供應,而美國通常使用單相12500V和25000V60Hz的交流電。另外日本東北、北海道地區使用20000V50Hz交流電,北陸地區、九州地區使用20000V60Hz交流電。

  因為有這麼多的供電方式,有時候甚至一個國家內都採用不同的方式(如日本的交流電電網大致以糸魚川靜岡構造線為分界,以西是60Hz,以東是50Hz),所以列車經常必須從一種供電方式轉向為另一種供電方式。其中一種方法是在換乘站更換機車,然而會造成不便。  另一種方法是使用支援多種供電系統的機車。在歐洲,通常是支援四種供電系統(直流1500V、直流3000V、交流15000V16.67Hz、交流25000V50Hz)的機車,這樣,它在從一個供電系統到另一個的時候就可以不用停留。  而日本國鐵在上世紀60年代初已有交直流對應的列車機車、但當時只能對應其中50/60一個Hz,俗稱「單交直流型」。直至60年代尾才成功研發可在全日本電化區間的行走用的多種供電系統(直流1500V、交流20000V 50/60Hz),俗稱「雙交直流型」,並開始引進當時量產中的列車機車系列上,但在1987年由JR分社經營後,由於預期旅客電車不需再作全國性的調動或行走,加上雙交直流型電車成本較高,故除了至國鐵末年仍量產中的415系1500番臺及之後的JR東日本的E653系、E655系是雙交直流型電車外,單交直流型的旅客電車重新被各JR旅客會社採用。而因北海道新幹線與在來線共享海峽線這一段的路軌,但海峽線使用的電壓於北海道新幹線通車後升壓為交流25000V,與一般在來線使用的交流20000V有所不同,因此JR貨物開發、製造了能對應兩種交流電電壓的EH800型電力機車。另外,採交流電化的北陸新幹線,供電頻率在50Hz/60Hz間轉換數次,為此JR東日本與JR西日本共同開發了雙交型的E7系/W7系。而作為周遊(郵輪式)列車使用的JR東日本E001型是日本僅見的三交直流型電車(可使用直流1500V、交流20000V 50/60Hz、交流25000V 50Hz,除此之外自帶柴油發電機以行駛非電化區間)。

  世界上68個國家和地區擁有電氣化鐵路。2012年12月1日哈大高鐵正式開通,中國大陸電氣化鐵路總里程突破4.8萬公里,超越了俄羅斯,躍升為世界第一位。俄羅斯43300公里、德國21013公里、印度18810公里、日本16965公里、法國15217公里。

  電氣化鐵路由於以電力為動力來源,不像傳統使用內燃機或蒸氣機動力的火車會造成沿線較大的噪音、空氣汙染及車廂悶熱,特別在長隧道及地下化區間。另外電動機的起步及加速較快,可縮短列車執行時間,增加班次密度,也能提高總載運量(一列車能容更多乘客)。

  由於電氣化鐵路有架空電線或第三軌,因此需有安全措施避免人誤觸高壓電而傷亡。另外架空電線或第三軌也會大幅增加鐵路養護的成本,因此班次不多的鐵路較少採用電氣化。其次,電力作為列車的主要執行能源,若鐵路業者未有自備發電設施,得承受供電業者因發電能源短缺或供電裝置故障等,而造成列車營運停擺的風險。另外在惡劣天氣中,導致接觸網與列車集電裝置之間無法有效接觸,使其超出接觸網所允許的安全承載範圍,如強風造成供電裝置大幅度擺動、嚴寒下的架線結冰或斷裂等,從而威脅列車行駛安全。例如在2008年中國大陸南方部分省市的特大雪災中,大面積的電氣化路線之供電故障,鐵路部門不得不排程內燃機車將受困列車拖出。以及在中國大陸新疆的高鐵路線,列車通過強風帶需要擋風裝置等。
電氣化鐵路,亦稱電化鐵路,是由電力機車或電聯車這兩種鐵路列車(即通稱的火車)為主,所行走的鐵路。