miniatuur|Onderstation te Wijhe De stroomvoorziening van spoorwegen is het continu voorzien van een railvoertuig van elektrische voeding door middel van een bovenleiding of een derde rail.
Er kan gelijkspanning of wisselspanning toegepast worden. Daarnaast is er de keuze van de spanning, en bij wisselstroom de keuze van frequentie.
Spanning Over het algemeen heeft de gebruikte voedingsspanning te maken met het vermogen van de motor van een voertuig. Zo worden trams en trolleybussen gevoed met 600 of 750 volt gelijkspanning, bij metrostellen kan deze waarde tot 1500 volt oplopen en bij de spoorwegen tot 25 000 volt wisselspanning. In Zuid-Afrika is de goederenspoorlijn Sishen–Saldanha uitgerust met de uitzonderlijke hoge spanning van 50 kV.Orex upgrade targets more capacity, Railway Gezette, 3 juni 2007
Een hogere spanning resulteert in een lagere stroomsterkte voor een gegeven vermogen. Lagere stroomsterkte resulteert in minder energieverlies met dezelfde bedrading.De weerstand is afhankelijk van de dikte van alle bovenleidingsdraden (ook de ophangdraden worden gebruikt voor de stroomtransmissie). Hogere spanning betekent dat betere isolatie nodig is en de draden op grote afstand van andere objecten moeten blijven. Een derde rail is geen optie.
Gelijkstroom, wisselstroom, draaistroom en gebruikte frequentie Het grote voordeel van het gebruik van gelijkspanning was historisch de relatieve eenvoud van de tractie-installatie aan boord van het railvoertuig: gelijkspanning kan vrijwel direct aan geschikte elektromotoren worden gevoed. Daar staat tegenover dat langs de baan gelijkrichtinstallaties nodig zijn om de door het hoogspanningsnet geleverde wisselspanning om te zetten in een bruikbare gelijkspanning. Ook is de gelijkspanning niet simpel omlaag te transformeren aan boord van het voertuig, zodat geen hoge spanningen op de bovenleiding gebruikt worden. De hoogste algemeen toegepaste en gebruikelijke gelijkspanning in Europa is 3 kV.Alleen Nederland en Frankrijk gebruiken de gelijkstroomspanning van 1500 V
Wisselspanning met de frequentie van het lichtnet (50 Hz of 60 Hz) heeft als voordeel dat de spanning eenvoudig omhoog en omlaag te transformeren is, waardoor relatief hoge spanningen op de bovenleiding gebruikt kunnen worden (25 kV is een gangbare spanning). Verder kan de spanning rechtstreeks van het openbare hoogspanningsnet betrokken worden. Een nadeel is dat eenfasige wisselspanning met een dergelijke frequentie niet direct aan de elektromotoren kan worden betrokken, zodat omvormers of gelijkrichters aan boord van de locomotief nodig zijn.Wisselstroomcommutatormotoren met groot vermogen waren begin 20e eeuw niet geschikt om op deze hoge frequenties te werken. Mede om die laatste reden kwam dit systeem pas echt op vanaf de jaren 1960, toen relatief compacte siliciumgelijkrichters voor grotere vermogens beschikbaar kwamen.
Wisselstroom met een lagere frequentie dan die van het lichtnet (bijvoorbeeld 16,7 Hz in het Duitse systeem, of de 25 Hz van de voormalige Nederlandse ZHESM) kan wel direct aan daarvoor geschikte (wisselstroom)motoren worden gevoed en de spanning is nog steeds goed omlaag te transformeren. Op die manier kon men een hogere bovenleidingsspanning toepassen dan bij gelijkstroom mogelijk is. Het grote nadeel van dit systeem is echter dat die frequentie niet direct uit het hoogspanningsnet kan worden betrokken, zodat er eigen elektriciteitscentrales nodig zijn voor de stroomvoorziening (of onderhoudsgevoelige roterende omvormers).
Op enkele trajecten vindt men nog bovenleidingvoeding met draaistroom (driefase-wisselstroom). Asynchrone draaistroommotoren zijn goed geschikt voor elektrische tractie, eenvoudig van constructie en onderhoudsarm (geen koolborstels), maar het grote nadeel hier is dat de constructie van de bovenleiding gecompliceerd is. Er zijn drie afzonderlijke fasen nodig, wat bijvoorbeeld wordt bereikt met twee rijdraden en een derde rail. Daarnaast kan er bij vaste frequentie van de voedingsspanning slechts een beperkt aantal snelheden gereden worden. Zie verderop onder Driefasenspanning.
De voortgaande ontwikkeling van de vermogenselektronica heeft de nadelen van bepaalde systemen wel steeds kleiner gemaakt. Benodigde gelijkricht- of omvormingssystemen aan boord van tractievoertuigen konden steeds compacter worden. Zo bestelde de Deutsche Bundesbahn eind jaren 1970 een serie elektrische locomotieven (Baureihe 120) met draaistroommotoren, die gebruik konden maken van de bestaande enkelfasige wisselspanning op de bovenleiding. Voor nieuwe spoorwegverbindingen voor de lange afstand kiest men daarom vrijwel steeds voor een systeem met 50 Hz wisselspanning bij hoge spanning, typisch 25 kV.
Trein miniatuur|De verschillende elektrificatiesystemen in Europa Treinen worden meestal gevoed met een bovenleiding, waarbij de retourstroom via de rails terugstroomt naar het onderstation. In feite zijn er vier belangrijke systemen: gelijkstroom draaistroom (drie fasen) eenfasige wisselstroom met een lage frequentie (16⅔ of 25 Hz) eenfasige wisselstroom met een normale frequentie (50 of 60 Hz) De eerste drie systemen zijn ontwikkeld vóór de Eerste Wereldoorlog. Het systeem met wisselstroom op normale lichtnetfrequentie is in het Interbellum ontwikkeld en pas na de Tweede Wereldoorlog grootschalig toegepast. Het wordt nu gezien als het ideale stroomsysteem.
Driefasenspanning Driefasenspanning, ook wel draaistroomvoeding genoemd, werd in 1894 ontwikkeld door de Hongaarse ingenieur Kálmán Kandó op basis van de uitvindingen van Nikola Tesla. De eerste toepassing in de praktijk was de stadstram in Évian-les-Bains. De grootschalige toepassing volgde in 1902 op de Valtellina spoorlijn, de eerste geëlektrificeerde spoorlijn ter wereld, tussen Lecco en Sondrio/Chiavenna in Noord-Italië. Bij dit systeem wordt er gebruikgemaakt van een dubbele bovenleiding (fasen 1 en 2) en de rails (fase 3). De bovenleidingen en pantografen voor dit systeem zijn daardoor gecompliceerd. Deze dubbele bovenleiding werd onder andere gebruikt in Italië tot 1976, maar wordt nauwelijks meer toegepast. Bij de Jungfraubahn en de Gornergratbahn in Zwitserland wordt driefasige wisselspanning nog steeds gebruikt. Ook in La Rhune, een tandradlijn in de Franse Pyreneeën, wordt dit systeem toegepast. Behalve de ingewikkelde bovenleiding, was het beperkte aantal snelheidstrappen een nadeel. In Italië bijvoorbeeld konden de locomotieven voor goederentreinen alleen maar 25 of rijden en locomotieven voor reizigerstreinen alleen 37½, 50, 75 en . De reden dat ondanks deze nadelen het driefasensysteem toch werd toegepast is dat de als tractiemotoren toegepaste draaistroommotoren verhoudingsgewijs krachtig en compact zijn ten opzichte van gelijkstroommotoren of seriewikkelingsmotoren.
Driefasenspanning thans De driefasenaandrijving wordt weer toegepast, echter zonder de gecompliceerde bovenleiding. Dankzij de toepassing van moderne vermogenselektronica kan de draaistroom in de trein zelf worden opgewekt uit de gelijkspanning of de eenfasige wisselspanning, waarmee alle voordelen van draaistroom gebruikt kunnen worden. De spanning en frequentie zijn hierbij traploos regelbaar zodat het probleem van het geringe aantal snelheidstrappen is vervallen. De eerste locomotief die draaistroom opwekte uit eenfasige wisselspanning was de testlocomotief van de SBB in 1972. In 1979 volgde de serie 120 van de Deutsche Bundesbahn. Inmiddels is dit de gangbare aansturing van elektrische treinen.
Gelijkspanning 1,5 kV gelijkspanning Nederland miniatuur|Elektrificatie Nederlandse spoorlijnen
De eerste Nederlandse elektrische spoorlijn was de lijn Rotterdam Hofplein – Scheveningen / Den Haag HS van de Zuid-Hollandsche Electrische Spoorweg-Maatschappij, geopend in 1908. Deze lijn werd met 10.000 volt wisselspanning geëlektrificeerd.
In 1924-'27 werd de Hollandse/Oude Lijn (Amsterdam – Haarlem – Leiden – Den Haag HS – Delft – Schiedam – Rotterdam) geëlektrificeerd met 1500 volt gelijkspanning, met een marge van +20% en −10%. Vanaf de jaren 1930 werd een groot deel van de spoorwegen in Nederland geëlektrificeerd met dit systeem. In 2003 was bijna driekwart van het Nederlandse spoorwegnet geëlektrificeerd (2064 van de 2811 kilometer).
Destijds heeft men gekozen voor 1500 volt gelijkspanning omdat de techniek van het gelijkrichten niet zover was gevorderd. Door het ontbreken van geschikte isolatiematerialen was het moeilijker om motoren met een hogere spanning dan 675 / 750 volt in te bouwen (twee motoren werden in serie geschakeld) vanwege de toename van gewicht en formaat in een draaistel. Nadeel van deze lage spanning is dat er grote stromen afgenomen worden, wat weer als gevolg heeft dat het spanningsverlies fors op kan lopen. Er zijn veel voedingsstations (om de 4 tot 15 kilometer) en een dubbele bovenleidingdraad nodig om dat enigszins tegen te gaan. Als de stroomsterkte te hoog wordt door zware optrekkende treinen binnen dezelfde spanningssectie, kan de spanning inzakken. Als de stroomsterkte boven de 4 kA (kiloampère) uitkomt (bij 1800 volt betekent dat een vermogen van meer dan 7200 kW), wordt de stroom in het onderstation uitgeschakeld om overbelasting te voorkomen.
In de jaren 1990 werd de (onbelaste) uitgangsspanning van de onderstations verhoogd naar 1800 volt (dat is dus precies op de maximaal toegestane spanning volgens de 1500V + 20% norm) door de vervanging van kwikdampgelijkrichters door siliciumgelijkrichters in de onderstations. Bijkomend voordeel was dat steeds sterkere treinen op het drukker wordende net beter gevoed konden worden.
In de stations Venlo en Bad Bentheim zijn sporen die omgeschakeld kunnen worden tussen 1500 V gelijkspanning en de Duitse 15 kV wisselspanning (zie Spanningssluis#Wisselen van locomotief). Het toeleidende baanvak vanuit Nederland naar Bad Bentheim is op Duits grondgebied voorzien van het 1500 volt-systeem met dubbele rijdraad.
In het station van Emmerik was een omschakelbaar spoor. In de nacht van 19 juli 2016 werd het eerste gedeelte van het traject tussen Zevenaar en Emmerich-Elten omgebouwd naar 25 kV wisselspanning. De bovenleiding voor gelijkstroom (twee rijdraden) werd verwijderd en er werden nieuwe palen, isolatoren en bovenleiding (met de rijdraad) geïnstalleerd. Een transformatorstation voor 25 kV is geplaatst in Zevenaar-Oost. De 25 kV 50 Hz bovenleiding van de Betuweroute loopt door tot Emmerich-Elten bij km 67,732. Er volgt een stroomloos deel tot km 67,186 en vervolgens begint de 15 kV 16,7 Hz bovenleiding. In de andere richting is dit in gebruik genomen in oktober 2016.
miniatuur|Het Franse spoornet
Frankrijk In Frankrijk worden 1500 V gelijkspanning en 25 kV wisselspanning gebruikt. De met 1500 V geëlektrificeerde spoorlijnen bevinden zich voornamelijk in het zuidelijk deel van het land. Latere elektrificaties worden bijna allemaal met wisselspanning uitgevoerd. Alle hogesnelheidslijnen zijn met 25 kV geëlektrificeerd. Op sommige spoorlijnen kunnen hogesnelheidstreinen tot rijden onder 1500 V gelijkspanning. Dit is het uiterste van wat technisch mogelijk is. Deze treinen mogen pas na een lang interval na elkaar rijden zodat de rijdraad voldoende gelegenheid heeft af te koelen. De elektrische voeding is flink verstevigd.
Groot-Brittannië en Ierland In delen van Engeland is dit systeem tot in de jaren 1980 gebruikt, onder meer op de Woodhead Line, waar de elektrische locomotieven serie 27000 na de sluiting overbodig werden en als NS 1500 naar Nederland werden gehaald. Alleen de Tyne and Wear Metro en de DART in en rond Dublin gebruiken nog 1500 V gelijkspanning.
3 kV gelijkspanning België
Op 1 december 1931 werd de eerste elektrificatie doorgevoerd op de (inmiddels opgebroken) lijn Brussel-Tervuren met een bovenleiding van 1500 V gelijkspanning.