miniaturadaimagem|300x300px|Sistemas de eletrificação ferroviária utilizados na Europa:
Linhas de alta velocidade na França, Espanha, Itália, Holanda, Bélgica e Turquia operam abaixo de 25 kV, assim como linhas de alta potência na antiga União Soviética. Eletrificação ferroviária através de corrente alternada (CA) à tensão de 15 kV à frequência de 16,7 Hz tem sido utilizada no transporte ferroviário na Alemanha, Áustria, Suíça, Suécia e Noruega. A alta tensão permite a transmissão de maior quantidade de energia, enquanto que a frequência reduzida (em comparação com a rede de distribuição, com frequência estabelecida a 50 Hz) reduz as perdas dos motores de tração existentes no início do século XX.
História thumb|377x377px|Um poste de uma linha de distribuição mono-fásica 110 kV CC próxima de Bartholomä, na Alemanha. Esta rede é utilizada para alimentar a catenária das linhas eletrificadas a 16 Hz mono-fásico. Nas substações ferroviárias, transformadores são utilizados para reduzir a tensão aos 15 kV. As primeiras ferrovias eletrificadas utilizavam motores universais com enrolamento em série, em corrente contínua, primeiramente a 600 V, e depois a 1.500 V. Em certas regiões, maioritariamente na Europa de leste, a catenária tinha uma tensão de 3 kV CC, onde eram utilizados dois motores de 1.500 V CC em série. No entanto, mesmo a uma tensão mais elevada, a 3 kV, a corrente necessária para alimentar um comboio de maior peso, particularmente em zonas rurais ou montanhosas, poderá ser excessiva. Embora o aumento de tensão de transmissão baixe a corrente necessária, , através da Lei de Watt () assim como as perdas reativas relacionadas para uma determinada potência, através da Lei de Ohm (), os limites de isolamento tornam o uso de motores de tração contínua de tensão mais elevada pouco práticos. Assim, observando-se o mesmo problema que na distribuição de energia elétrica que despoletou a Guerra das Correntes, a solução apresentada é de aumentar a tensão da catenária, e de alterar a alimentação da mesma de corrente contínua para alternada. Antes do advento de transformação eficiente de corrente contínua através de método eletrónico, apenas disponível na segunda metade do século XX, a transformação teria imperativamente que ser realizada em corrente alternada. Sendo assim, observa-se a necessidade de equipar cada locomotiva com transformadores, que permitem a redução da tensão a valores mais adequados aos motores de tração.
A rede de distribuição em corrente alternada a 50 Hz (60 Hz na América do Norte) já havia sido estabelecida no início do século XX. Embora os motores universais, em teoria, possam ser utilizados tanto em corrente contínua como alternada, motores de maior dimensão, em corrente alternada, e frequências tão elevadas, propiciavam ao centelhamento, devido à elevada reatância indutiva do enrolamento do estator, e perdas relacionadas com a corrente de Foucault gerada no estator. A redução da frequência reduz a probabilidade de ambos os problemas.
Em 1913, a Prússia, Baviera, e Baden decidiram conjuntamente o estabelecimento da alimentação das suas linhas ferroviárias à tensão de 15 kV, e à frequência de , correspondente a um terço da frequência da rede elétrica geral, a 50 Hz. Esta escolha permite a interoperabilidade com a rede nacional, através da operação de cicloconversores, e a utilização de geradores dedicados à rede elétrica ferroviária, em tudo semelhantes aos utilizados na rede nacional, exceto ao número de pares de polos, diminuídos a um terço (por exemplo, um gerador com velocidade angular de 1.000 rpm, ao invés de ter 6 pares de pólos, terá apenas 2).
A 19 de junho de 1913, o Túnel ferroviário de Lötschberg é oficialmente inaugurado pela companhia de Caminho de ferro do Lötschberg, eletrificado a 15 kV CA .
Em toda a Áustria, Alemanha (à exceção de Meclemburgo-Pomerânia Ocidental, e da Alta Saxónia), e Suíça, centrais elétricas dedicadas alimentam a rede elétrica ferroviária. Nos estados alemães de Meclemburgo-Pomerânia Ocidental, e Alta Saxónia, assim como na Suécia e na Noruega. A Noruega dedicou duas centrais hidroelétricas à alimentação da rede ferroviária, ainda que não supram as necessidades totais da rede, cuja frequência da corrente elétrica produzida se estipulou à frequência de .
Os primeiros geradores e transformadores elétricos eram máquinas do tipo síncrono, no entanto, com a introdução de geradores de indução duplamente alimentados, a corrente de controlo gerava um componente de corrente contínua indesejado, dando aso a sobreaquecimento nos polos, devido à harmonia de 1 para 3 da frequência elétrica utilizada na ferrovia com a rede geral, pelo que se decidiu, de forma arbitrária, alterar a frequência da rede ferroviária para 16,7 Hz, uma aproximação não-exata ao exato terço dos 50 Hz da rede geral, mas que não obrigasse à conversão das máquinas de tração existentes, operando dentro da sua tolerância. Esta migração foi levada a cabo na Áustria, Suíça, e sul da Alemanha, a 16 de outubro de 1995, às 12h00 locais. No entanto, as secções regionais que mantêm a alimentação garantida por geradores síncronos mantiveram a sua frequência inicial de Hz, assim como a Suécia e Noruega, que não realizaram esta migração.
Desvantagens Ao alimentar a locomotiva a 16,7 Hz ao invés de 50 Hz, torna-se necessária a utilização de transformadores mais pesados para a redução da tensão disponibilizada na catenária para a tensão requerida pelos motores de tração dentro da locomotiva. Estes requerem núcleos maiores, e enrolamentos maiores, para realizar uma conversão de energia equiparável a um sistema a 50 Hz.
O peso superior destas locomotivas leva a maior peso sobre os eixos, o que, por conseguinte, leva a maior desgaste dos mesmos, assim como dos carris, ambos necessitando de superior regularidade de manutenção.
Ao realizar a modernização da Série 240, e conversão para Série 340, a companhia de Caminhos de Ferro Checos deparou-se com estas mesmas questões, tendo a Série 340, compatível com a alimentação tanto a 25 kV, 50 Hz, disponível na rede checa como a 15 kV, 16,7 Hz, nas redes alemã e austríaca, a sua potência reduzida a 1250 kW quando alimentada a 15 kV, 16,7 Hz, em comparação com a sua potência habitual de 3080 kW, quando nas suas linhas nacionais.
Dadas estas desvantagens, assim como a necessidade de infraestrutura de alimentação separada da rede nacional, e a falta de vantagens com o uso de motores e controladores de tração modernos, limitaram o uso deste modo de alimentação elétrica apenas aos seus cinco originais implementadores. Por exemplo, a Dinamarca, que faz fronteira com duas nações que utilizam eletrificação a 15 kV e a baixa frequência, em 1979 iniciou a sua eletrificação aos 25 kV 50 Hz, que concluiu no ano de 2026.
Embora, com a tecnologia atual, seja vantajosa a eletrificação a 25 kV, 50 Hz, a conversão das linhas a 15 kV ao standard europeu ainda não se revela financeiramente viável, dados outras normas a nível nacional não relacionadas com a eletrificação. É menos dispendioso equipar a locomotiva com transformadores que aceitem 2 ou mais tensões de alimentação, que a instalação de múltiplos sistemas de sinalização e segurança, e da certificação a nível nacional de cada um. No entanto, na construção de novas linhas de alta velocidade (por exemplo, da Áustria ao Leste europeu), são notadas as intenções de se construírem para eletrificar a 25 kV.
Embora locomotivas de nova construção estejam maioritariamente equipadas com motores de tração assíncronos, que permitem operar em diversas frequências de alimentação, incluindo em CC, os pantógrafos, sistemas elétricos, e cabeamentos adicionais não são universalmente instalados, permitindo assim o fabrico de modelos menos dispendiosos, como a Siemens Smartron. A Talent 2 da Bombardier, a serviço Regional da Deutsche Bahn desde 2011, não se encontra certificada para utilização em múltiplos sistemas elétricos. No entanto, a DB Schenker tende a adquirir locomotivas para o serviço de mercadorias capazes de operar em múltiplos standards de eletrificação, dado que estas operam além-fronteiras pela Europa. Redes de distribuição
miniaturadaimagem|289x289px|Linhas elétricas monofásicas (bifilar) de alta-tensão ferroviárias saindo de uma central elétrica. Na Alemanha (exceto partes de Mecklemburgo-Pomerânia Ocidental, Brandemburgo e Alta Suábia), Áustria e Suíça, existe uma rede de distribuição de energia monofásica separada para a ferrovia, com frequência de ; a tensão é na Alemanha e Áustria e na Suíça. Esse sistema é chamado de fornecimento centralizado de energia ferroviária, onde a energia é obtida da rede pública trifásica de 50 Hz e convertida localmente para os parâmetros utilizados pela rede ferroviária. Uma rede de distribuição de energia monofásica separada facilita a recuperação de energia durante a travagem, em comparação com um sistema de 25 kV e 50 Hz conectado a uma rede de distribuição trifásica.
Neste sistema, durante a travagem da locomotiva, os motores de tração da locomotiva passam a funcionar como geradores, convertendo parte da energia cinética do comboio em energia elétrica, que é devolvida à catenária. Na Suécia e na Noruega, bem como em determinadas regiões da Alemanha (nomeadamente em Mecklemburgo-Pomerânia Ocidental, partes de Brandemburgo e algumas zonas da Saxónia-Anhalt), é utilizada alimentação ferroviária descentralizada. Neste sistema, a energia é obtida localmente da rede elétrica pública trifásica de 50 Hz e, através de estações conversoras, é convertida em corrente alternada monofásica de baixa frequência, normalmente 15 kV e 16,7 Hz, sendo posteriormente injetada na rede de tração ferroviária. Este método é designado por fornecimento descentralizado, ou local, de energia ferroviária.
Na Alemanha, Áustria e Suíça, a alimentação ferroviária de 15 kV e 16,7 Hz é, em grande parte, assegurada através de uma rede elétrica ferroviária própria, monofásica e independente da rede pública, constituindo um sistema centralizado de fornecimento de energia. Nesta configuração, a energia é transportada por uma rede ferroviária de alta tensão e posteriormente reduzida para a tensão utilizada na catenária. Em contraste, em países como a Suécia e a Noruega, predomina um sistema descentralizado, no qual a energia é obtida localmente da rede pública trifásica de 50 Hz e convertida, através de estações conversoras, para a tensão e frequência utilizadas pela rede de tração ferroviária. Durante a travagem regenerativa, os motores de tração podem funcionar como geradores, devolvendo energia elétrica à catenária. A utilização de uma rede ferroviária de baixa frequência eletricamente interligada facilita a circulação e o reaproveitamento dessa energia por outros comboios, enquanto nos sistemas convencionais de 25 kV e 50 Hz a existência de diferentes secções de alimentação, frequentemente separadas por zonas neutras e ligadas a diferentes fases da rede trifásica, pode limitar a transferência direta da energia regenerada entre diferentes troços da linha.
Infraestrutura de produção e conversão elétrica para a rede elétrica ferroviária Alemanha Na Alemanha, a DB Energie é a operadora da rede de alimentação ferroviária a 16.7 Hz, que inclui as centrais de produção elétrica, rede de distribuição, transformadores, e subestações. Ao nível das centrais, transformadores da rede de 50 Hz, e transmissão aérea, a tensão mantida é de 110 kV. Suíça A rede de alimentação suíça é mantida a 66 kV e 132 kV, com a utilização de transformadores para se atingirem os 15 kV necessários na catenária para a tração ferroviária. A operação das centrais de produção dedicadas à ferrovia está a cargo da SBB e da RhB.
A rede ferroviária encontra-se ligada à rede principal, através do uso de conversores de frequência, de modo a garantir estabilidade e continuidade do serviço.