Железные дороги могут быть электрифицированы по системе постоянного или переменного тока. Однако в обоих случаях на элект-роподвижном составе используются тяговые двигатели постоянного тока. Система тяги на трехфазном переменном токе не получила распространения из-за того, что очень сложно изолировать близкорасположенные провода двух фаз контактной сети (третья фаза — рельсы). Это приводит к ограничению напряжения в сети и скоростей движения из-за особенностей конструкции контактной подвески. Как правило, применяют систему питания электроподвижного состава однофазным переменным током, который непосредственно на локомотивах преобразуют в постоянный ток. Применение однофазных тяговых двигателей на локомотивах переменного тока возможно только при снижении частоты напряжения в 2-3 раза по сравнению с промышленной частотой 50 Гц.
В России протяженность электрифицированных железных дорог по обеим системам тока превышает 40 тыс. км. Установлен номинальный уровень напряжения на токоприемниках ЭПС: 3 кВ при постоянном и 25 кВ при переменном токе.
Основными параметрами системы электроснабжения электрифицированных железных дорог являются мощности тяговых подстанций, расстояние между ними и площадь сечения контактной подвески. Нагрузочная способность важнейших элементов электроснабжения (трансформаторов, выпрямителей, контактной сети) зависит от допускаемой температуры их нагрева, определяемой значением и длительностью протекающего тока.
Система постоянного тока получила распространение во многих странах мира. Основным достоинством ее является использование на ЭПС тяговых двигателей постоянного тока с последовательным возбуждением, свойства которых в большой мере отвечают требованиям тяги. Тяговые подстанции на электрифицированных дорогах постоянного тока выполняют две основные функции: понижают напряжение подводимого трехфазного тока и преобразуют его в постоянный ток. Для этой цели используют трансформаторы, выпрямители и другое оборудование. Широко применяют полупроводниковые выпрямители, которые обладают высокой надежностью, простотой устройства, обслуживания и управления, компактностью. Все оборудование переменного тока размещают на открытых площадках тяговых подстанций, а выпрямители и вспомогательные агрегаты — в закрытых помещениях. От тяговых подстанций электроэнергию по питающим линиям подают в контактную сеть. Относительно низкое напряжение (3 кВ) является основным недостатком системы постоянного тока, которое лимитируется максимальным допустимым напряжением, подаваемым непосредственно из сети на тяговые двигатели без промежуточного преобразования его на локомотиве. Кроме того, при этой системе возникают значительные блуждающие токи, под действием которых происходит электрокоррозия подземных металлических сооружений. Для снижения ее требуются специальные защитные устройства. Для поддержания нужного уровня напряжения на токоприемниках локомотивов тяговые подстанции размещают близко друг от друга (10—20 км), а для передачи больших токов приходится увеличивать площадь сечения проводов контактной подвески.
При росте грузооборота строят дополнительные тяговые подстанции, увеличивают площадь сечения контактной сети (подвешивают усиливающие провода и др.), чтобы повышение числа и массы поездов не вызывало резкого падения напряжения и, следовательно, скоростей движения поездов. Радикальным способом устранения недостатков электроснабжения постоянного тока является создание системы регулирования напряжения в контактной сети.
Система однофазного тока промышленной частоты 50 Гц (напряжением 25 кВ) значительно проще и экономичней. Более высокое напряжение в контактной сети и соответственно меньшие токи в ней позволяют в 2,5-3 раза уменьшить площадь сечения проводов контактной сети на один путь, увеличить расстояние между тяговыми подстанциями. Установленные на ЭПС тяговые трансформаторы позволяют снизить напряжение на тяговых электродвигателях (по сравнению с системой постоянного тока), вследствие чего можно уменьшить толщину изоляции обмотки двигателей и увеличить их мощность на 25—30 % (при тех же габаритных размерах) и включить тяговые двигатели параллельно. Такое соединение улучшает тяговые свойства электровоза и снижает склонность колесных пар к боксованию. Тяговые подстанции в этой системе превращаются в обычные трансформаторные, вследствие чего упрощается автоматизация управления ими. Однако питание однофазным током промышленной частоты от системы внешнего электроснабжения трехфазного тока приводит к неравномерной загрузке (несимметрии) ее фаз. Это ведет к недоиспользованию мощности генераторов электростанций, ограниченной высоким нагревом более нагруженных фаз. Ухудшается качество энергии, отпускаемой потребителям, что снижает допустимые нагрузки различных асинхронных двигателей.
К тому же возникают мешающее электромагнитное влияние на линии связи и другие, идущие вдоль полотна железной дороги металлические коммуникации: в них наводятся значительные ЭДС, опасные для изоляции устройств и обслуживающего персонала. Помехи, создаваемые в линиях связи, мешают нормальной работе, что вызывает необходимость каблировать линии связи.
Система переменного тока 2 X 25 кВ позволяет повысить напряжение в контактной сети, т. е. снимает ограничения пропускной способности по устройствам электроснабжения грузонапряженных линий. При этом не изменяется конструкция электровозов, так как между рельсами и контактным проводом сохраняется напряжение 25 кВ. Контактный провод подключен через линейный автотрансформатор к питающему проводу, расположенному на опорах контактной сети, напряжение в котором по отношению к контактному составляет 50 кВ.
На участке, электрифицированном по системе 2 X 25 кВ, линейные автотрансформаторы установлены на межподстанционной зоне через 8—15 км. Число их определяется расстоянием между тяговыми подстанциями, заданными тяговыми нагрузками и номинальной мощностью автотрансформаторов. Сторона низкого напряжения каждого автотрансформатора присоединена к контактной подвеске и рельсам, а вывод обмотки высшего напряжения — к питающему проводу. Коэффициент трансформации автотрансформаторов системы 2 X 25 кВ можно принять равным 2.
Система 2 х 25 кВ имеет ряд преимуществ по сравнению с системой 25 кВ. Сопротивление тяговой сети снижается примерно в 2 раза, потери напряжения, электроэнергии в тяговой сети — в 2-2,5 раза, уменьшается индуктивное влияние на линии связи. Регулирование коэффициентов трансформации линейных автотрансформаторов позволяет поддерживать заданный уровень напряжения в контактной сети. Это дает возможность устойчиво реализовать на электровозах необходимую мощность и поднять скорость движения поездов. В свою очередь уменьшение потерь напряжения в тяговой сети способствует удлинению межподстанционных зон, а значит, снижению капитальных затрат на электрификацию железных дорог.