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电气化铁路，亦称电化铁路，是由电力机车或电联车这两种铁路列车（即通称的火车）为主，所行走的铁路。
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可以用以下方法来对电气化铁路进行分类：
采用轨道供电的电气化铁路通常铺设额外的供电轨道，用来连接电网和机车，为机车提供电力供应，亦称为第三轨供电，这条轨道称为第三轨。也有少数铁路使用第四轨（例如伦敦地铁）作为电流回路。
架空电缆（或高架电缆），在中国大陆称为接触网供电，在台湾称为架空电车线供电[1]。相对而言，在中国大陆和台湾，架空电缆和高架电缆一般是指高压输电线路。
架空电缆由电力机车或动车组的架式集电弓连接，从铁路的供电电网取电。导线通过列车正常的运行轨道接地形成回路，分为柔性和刚性两种。架空电缆同时具有高压输电道的好处，例如日本京急线。此外，较新的铁路亦有采用刚性电缆，并可过渡至一般高架电缆。
如果不使用外部连续供电，可以借助超级电容、锂离子电池或内燃机使电力列车暂时摆脱运行沿途的供电线路，在非电化铁路或交流电铁路中的中性区行驶。但需要在特定的供电点（例如车站）充电来补充消耗的电能。例如广州市内的有轨电车系统的列车、中国国铁的CJ5、JR东日本的EV-E301系和EV-E801系、台湾高雄轻轨的 CAF Urbos 3系和 Citadis X-05 305系。
下表列出了国际标准及欧洲标准（EN）中，最常见的六款电气化铁路电压。
| 电气标准 | 电压 | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| 最低非永久性 | 最低永久性 | 标称 | 最高永久性 | 最高非永久性 | |
| DC 600V | 400V | 400V | 600V | 720V | 800V |
| DC 750V | 500V | 500V | 750V | 900V | 1000V |
| DC 1500V | 1000V | 1000V | 1500V | 1800V | 1950V |
| DC 3000V | 2000V | 2000V | 3000V | 3600V | 3900V |
| AC 15000V 16.7Hz | 11000V | 12000V | 15000V | 17250V | 18000V |
| AC 25000V 50Hz（EN 50163）或60Hz（IEC 60850） | 17500V | 19000V | 25000V | 27500V | 29000V |
早期的电气化铁路采用电压相对低的直流供电。机车或动车组的电动机直接连接在电网主线上，通过并联或串联在电动机上的电阻和继电器来进行控制。随着电力电子学的出现，利用电子零件作开关，便可改变直流电电压的有效值，利用逆变器可以把直流电变成交流电，而且频率可以控制。因此，直流及交流电动机均可以使用。
通常有轨电车和地铁的电压是600V，750V和1500V，铁路使用1500V和3000V。过去车辆使用旋转变流器来将交流电转换为直流电。现在一般使用半导体整流器完成这个工作。
采用直流供电的系统比较简单，但是它需要较粗的导线，供电站之间距离也较短，并且直流线路有显著的电阻损失。
荷兰、日本、澳大利亚、印尼、香港、马来西亚、丹麦的一些地区、法国的少数地区和中国大陆部分城市轨道交通系统以及路外工矿企业的线路使用1500V的直流电，其中，荷兰实际使用的电压大约有1600V到1700V。
比利时、意大利、西班牙、波兰、捷克北部、斯洛伐克、前南斯拉夫、前苏联、北韩、南非、摩洛哥、巴西部分地区和智利使用3000V直流电。
一些欧洲国家使用低频交流电来给电力机车供电。德国、奥地利和瑞士使用15kV 16.7Hz交流电。
15kV系统原本以同步发电机供电，但后来使用感生发电机供电。以16+2⁄3Hz运作时，感生发电机会出现直流分量，并导致过热问题。作为解决方案，供电频率由原本工频的1⁄3随意地改成16.7Hz，同时，此频率也落在原本16+2⁄3Hz的允许范围内，确保了铁路可正常运作。在挪威和瑞典，以同步发电机供电的铁路系统则继续使用16+2⁄3Hz。
匈牙利曾经在二十世纪三十年代在电气化铁路上使用50Hz的交流电。然而直到五十年代以后才获广泛使用。
目前，一些电气化机车使用变压器和整流器来提供低压脉动直流电给电动机使用，通过调节变压器来控制电动机速度。另一些则使用可控硅或场效应管来产生突变交流或变频交流电来供应给机车的交流电机。
这样的供电形式比较经济，但是也存在缺点：外部电力系统的相位负荷不等，而且还会产生显著的电磁干扰。
中国大陆、香港（港铁东铁线、屯马线﹐以及广深港高铁香港段）、法国、英国、芬兰、丹麦、前苏联、前南斯拉夫、罗马尼亚、保加利亚、土耳其、西班牙（标准轨高铁路段）、东日本（东北、上越、北海道新干线及北陆新干线轻井泽以东）使用单相25000V50Hz电力供应，台湾高速铁路、台湾铁路股份有限公司、韩国、西日本（东海道、山阳、九州新干线及北陆新干线轻井泽以西）使用单相25000V60Hz电力供应，而美国通常使用单相12500V和25000V60Hz的交流电。另外日本东北、北海道地区使用20000V50Hz交流电，北陆地区、九州地区使用20000V60Hz交流电。
因为有这么多的供电方式，有时候甚至一个国家内都采用不同的方式（如日本的交流电电网大致以糸鱼川静冈构造线为分界，以西是60Hz，以东是50Hz），所以列车经常必须从一种供电方式转向为另一种供电方式。其中一种方法是在换乘站更换机车，然而会造成不便。
另一种方法是使用支持多种供电系统的机车。在欧洲，通常是支持四种供电系统(直流1500V、直流3000V、交流15000V16.67Hz、交流25000V50Hz)的机车，这样，它在从一个供电系统到另一个的时候就可以不用停留。
而日本国铁在上世纪60年代初已有交直流对应的列车机车、但当时只能对应其中50/60一个Hz，俗称“单交直流型”。直至60年代尾才成功研发可在全日本电化区间的行走用的多种供电系统（直流1500V、交流20000V 50/60Hz），俗称“双交直流型”，并开始引进当时量产中的列车机车系列上，但在1987年由JR分社经营后，由于预期旅客电车不需再作全国性的调动或行走，加上双交直流型电车成本较高，故除了至国铁末年仍量产中的415系1500番台及之后的JR东日本的E653系、E655系是双交直流型电车外，单交直流型的旅客电车重新获各JR旅客会社采用。而因北海道新干线与在来线共用海峡线这一段的路轨，但海峡线使用的电压于北海道新干线通车后升压为交流25000V，与一般在来线使用的交流20000V有所不同，因此JR货物开发、制造了能对应两种交流电电压的EH800型电力机车。另外，采交流电化的北陆新干线，供电频率在50Hz/60Hz间转换数次，为此JR东日本与JR西日本共同开发了双交型的E7系/W7系。而作为周游（邮轮式）列车使用的JR东日本E001型是日本仅见的三交直流型电车（可使用直流1500V、交流20000V 50/60Hz、交流25000V 50Hz，除此之外自带柴油发电机以行驶非电化区间）。
世界上68个国家拥有电气化铁路。中国48000公里、俄罗斯43300公里、德国21013公里、印度18810公里、日本16965公里、法国15217公里。
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750V 直流电
1500V 直流电
3000V 直流电
15kV 16.7Hz 交流电
25kV 50Hz 交流电
非电气化
电气化铁路由于以电力为动力来源，不像传统使用内燃机或蒸气机动力的火车会造成沿线较大的噪音、空气污染及车厢闷热，特别在长隧道及地下化区间。另外电动机的起步及加速较快，可缩短列车运行时间，增加班次密度，也能提高总载运量（一列车能容更多乘客）。
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