Производство и передача энергии осуществляется на трехфазном переменном токе, а распределение и использование ее для целей тяги — преимущественно на постоянном токе. Поэтому между линией передачи и контактной сетью, подводящей энергию к подвижному составу, необходимо иметь промежуточное звено — преобразовательную тяговую подстанцию, понижающую напряжение и преобразующую трехфазный переменный ток в постоянный.
Основными элементами этой системы являются: 1) трехфазная линия электропередачи (воздушная или кабельная) для передачи энергии от трансформаторных подстанций или непосредственно с электростанции к тяговым подстанциям; 2) тяговые преобразовательные подстанции; 3) контактная и рельсовая сети (для троллейбуса — только контактная), осуществляющие непрерывный подвод энергии постоянного тока к движущемуся по линии подвижному составу; 4) трамвайные вагоны и троллейбусы, на которых происходит преобразование электрической энергии в механическую работу, затрачиваемую на движение подвижного состава. На рис. 3 показана принципиальная схема электроснабжения городского электротранспорта.
Преобразовательная тяговая подстанция обычно оборудована: а) распределительным устройством трехфазного тока высокого напряжения, предназначенным для приема энергии с линии передачи и распределения ее между трансформаторами преобразовательных агрегатов и агрегатов собственных нужд подстанции; б) трансформаторами для понижения напряжения, подводимого к преобразователям; в) выпрямителями для преобразования тока; г) распределительным устройством выпрямленного тока, предназначенным для распределения энергии постоянного тока, получаемой от преобразователя, между отдельными линиями, подводящими энергию к контактной сети.
Рис. 3. Принципиальная схема электроснабжения городского транспорта
Т — трансформатор; Ш — шины; ПК и ОК — положительные и отрицательные кабели питающих линий; КВ — кремниевый выпрямитель; КС — контактная сеть; PC — рельсовая сеть
Рис. 4. Структурная схема тяговой преобразовательной подстанции (ТПП)
Рис. 5. Нагрузка подстанции
а — кривая мгновенных значений тока на шинах; б — типичный график нагрузки за сутки в рабочий день
На рис. 4 приведена структурная схема тяговой преобразовательной подстанции. Питание тяговой подстанции электроэнергией производится от высоковольтной сети трехфазного тока напряжением 6 или 10 кВ. Через вводы (на рис. 4 видны два ввода) электроэнергия поступает на сборные шины распределительного устройства высокого напряжения. Сборные шины служат для приема энергии и ее распределения по агрегатам. Шины обычно выполняются в виде голых проводников (медных, алюминиевых или стальных) прямоугольного или круглого сечения. Вводы и агрегаты снабжены автоматическими высоковольтными выключателями и разъединителями. Электроизмерительные приборы автоматической защиты оборудования от токов короткого замыкания и перегрузок питаются от измерительных трансформаторов тока и напряжения. Защита оборудования от перенапряжений выполняется высоковольтными разрядниками. Все эти аппараты и приборы размещаются в распределительном устройстве высокого напряжения. С шин высокого напряжения энергия поступает в трансформаторы ТР и затем в преобразователи ПР, в качестве которых обычно применяются статические преобразователи — ртутные и кремниевые выпрямители. В распределительном устройстве выпрямленного тока размещаются сборные шины постоянного тока (на 600 в), измерительная и защитная аппаратура. К положительной и отрицательной шинам присоединена сеть питающих линий, каждая из которых состоит из положительного и отрицательного кабеля.
Собственные нужды подстанции (СН) состоят из понижающих трансформаторов и сборных шин (ШСН) на 127—220 в. К шинам присоединен зарядный агрегат (ЗА), служащий для зарядки аккумуляторных батарей (АБ), и все потребители переменного тока собственных нужд подстанции (ПСН). От аккумуляторной батареи получают питание все потребители собственных нужд постоянного тока (ПСН).
Тяговые подстанции городского наземного электротранспорта можно классифицировать по различным признакам:
1) по назначению — трамвайные, троллейбусные, трамвайно-троллейбусные;
2) по типу преобразователей — с ртутными и кремниевыми преобразователями;
3) по количеству агрегатов — одноагрегатные и многоагрегатные;
4) по способу резервирования;
5) по способу управления (например, автоматические);
6) по конструктивному оформлению — стационарные и передвижные.
Нагрузка на сборных шинах тяговой подстанции не остается постоянной (рис. 5), так как непрерывно изменяется количество поездов, находящихся в районе подстанции, а также величина тока, потребляемого каждым поездом. Номинальная мощность тяговых подстанций в зависимости от числа агрегатов составляет 600—5000 кВт, а коэффициент полезного действия 0,85—0,87.
Номинальное напряжение на шинах постоянного тока тяговых подстанций по ГОСТ составляет 600, 825, 1650 и 3300 в. На подстанциях городского наземного электрического транспорта применяют напряжение 600 в, среднее же напряжение на токоприемниках 550 в, а для метрополитенов 825 и 750 в. На пригородных и магистральных железных дорогах вследствие больших мощностей подвижного состава экономически целесообразно применять более высокие напряжения— 1650/1500 и 3300/3000 в. Это дает возможность уменьшить сечение контактных проводов и сократить количество тяговых подстанций.
Тяговая сеть системы электроснабжения, служащая для передачи электрической энергии от тяговых подстанций к подвижному составу, состоит из питающих линий (положительный и отрицательный кабели) и контактной сети (два провода или провод и рельс).
Рис. 6. Тяговая сеть рельсового транспорта
1 — шины тяговой подстанции; 2 — тяговая сеть: ПК — положительные кабели; П1, П2, П3 — питающие пункты; ОК — отрицательные кабели; О1, О2, О3 — отсасывающие пункты, 3 — подземные металлические сооружения
Электрический контакт с проводами создается скольжением (или качением) по ним токосъемного устройства (токоприемника) подвижного состава. С рельсами трамвая контакт осуществляется через колесные пары вагонов. Для улучшения электропроводности рельсовой сети между отдельными рельсовыми нитками устроены междурельсовые и междупутные электрические соединения. Таким образом, рельсовый путь трамвая представляет собой непрерывную электрическую цепь и помимо своего прямого назначения служит проводом, по которому ток возвращается на подстанции.
Измерения показывают, что некоторая часть токов ответвляется из рельсов в землю, а затем и в подземные металлические сооружения, вызывая электрохимическую коррозию. Эти токи получили название блуждающих. На рис. 6 показан путь прохождения блуждающих токов. При электролитических процессах в земле происходит разъедание металлического сооружения в местах выхода тока из них в землю (так называемые анодные зоны). При положительной полярности контактного провода опасные анодные зоны (труб водопровода, канализации и газопровода, свинцовых оболочек кабелей и т. п.) располагаются, как правило, вблизи пунктов присоединения отрицательных кабелей к рельсам, называемых отсасывающими пунктами.
Контактные провода обычно подвешиваются над рельсовым или дорожным полотном при помощи изоляторов на опорных конструкциях. На метрополитенах контактная сеть выполняется в виде изолированного контактного рельса, укрепленного сбоку от ходовых рельсов.
Для обеспечения независимого питания частей контактной сети и сокращения длины участков, отключаемых при перегрузках или авариях, ее секционируют, т. е. разделяют на отдельные участки длиной по 500—1000 м, электрически изолированные друг от друга участковыми изоляторами.
Рис. 7. Принципиальная схема разветвленной тяговой сети трамвая
ТПП — тяговая подстанция; СИ — секционные изоляторы
Контактные сети бывают разветвленными и неразветвленными. На рис. 7 показана схема питания и секционирования разветвленной двухпутной городской трамвайной сети. Сеть дана в однолинейном изображении, так как контактные провода смежных путей обычно, как и рельсы, соединены параллельно. Секционные изоляторы устанавливаются только в контактной сети, так как рельсовая сеть не секционируется. Положительные и отрицательные кабели не показаны, а в виде точек изображены лишь места их присоединения, т. е. питающие и отсасывающие пункты.
Наивыгоднейшее место расположения тяговых подстанций, их число и мощность, а также количество и месторасположение питающих и отсасывающих пунктов устанавливается электрическим расчетом тяговой сети. На рис. 7 показаны четыре тяговые подстанции с 15 питающими пунктами. В больших городах с сильно разветвленной контактной сетью количество тяговых подстанций исчисляется несколькими десятками.
Участки неразветвленной сети встречаются на городском электрическом транспорте в виде вылетных и загородных линий или линий междугородных сообщений. Примером может служить троллейбусная междугородная горная трасса Симферополь — Ялта протяженностью 82 км, питание которой осуществляется от 19 автоматических тяговых одноагрегатных подстанций с кремниевыми выпрямителями (рис. 8). Среднее расстояние между подстанциями 4 км, мощность каждой подстанции по постоянному току 1200 кВт. При разомкнутых секционных изоляторах каждая подстанция питает участки своего района. Возможна параллельная работа всех тяговых подстанций при замкнутых изоляторах.
Рис. 8. Принципиальная схема неразветвленной тяговой сети междугородной трассы
ТПП — тяговая подстанция; ПК — положительный кабель; П — питающий пункт; ОК — отрицательный кабель; О — отсасывающий пункт; КС — контактная сеть; СИ — секционный изолятор
В контактной сети городского электротранспорта допускаются большие колебания напряжения, чем в стационарных промышленных сетях. Изменение напряжения в некоторых случаях достигает ±25% номинального напряжения сети. На рис. 9 дана диаграмма падения напряжения во всех элементах тяговой сети трамвая, отнесенная к токоприемнику движущегося поезда для двух участков питания. Напряжение на токоприемнике поезда можно выразить формулой 
Кроме двухпроводной контактной сети может применяться и трехпроводная (рис. 10). Сущность этой системы заключается в том, что преобразователи соединяют в две последовательные группы и на тяговой подстанции помимо положительного и отрицательного полюсов образуется также нулевая (средняя) точка (см. рис. 10, точка а). Трехпроводная система может быть с поперечным или продольным секционированием сети.
Рис. 10. Трехпроводная тяговая сеть (а — с поперечным секционированием; б — с продольным секционированием)
I — тяговая подстанция: 1 — ввод; 2 — шины трехфазного тока; 3 — ртутные или кремниевые выпрямители; 4 — шины постоянного тока; II — тяговая сеть: 5 — положительный кабель; 6 — отрицательный кабель; 7 — нулевой кабель; 8 — контактная сеть; 9 — рельсовая сеть (двухпутная); 10 — секционный изолятор; 11 — электрические соединения рельсов
При поперечном секционировании сети (схема а) от положительной шины ток протекает по положительному кабелю и контактному проводу к тяговым двигателям вагонов А и затеки через рельсовую сеть к тяговым двигателям вагонов 5; далее через тяговые двигатели вагонов В, контактный провод и отрицательный кабель к отрицательной шине подстанции. В случае, если токи, потребляемые поездами А и В, равны друг другу, ток в отрицательном кабеле равен нулю, а токи в рельсах минимальны. Этим достигается экономия энергии и снижение блуждающих токов. Аналогичный эффект обеспечивается и при продольном секционировании сети (схема б). Трехпроводная система применима и на троллейбусном транспорте.
Однако исследования трехпроводной системы показывают, что экономический эффект ее применения (экономия цветного металла, уменьшение потерь энергии в сети) несуществен, вследствие чего в настоящее время эта система не находит применения.
Система постоянного тока получила широкое распространение на электрическом транспорте. Преимущества этой системы следующие: а) применение электродвигателей постоянного тока, имеющих хорошие тяговые свойства и обеспечивающих широкую регулировку скорости; б) простота конструкции и надежность в эксплуатации всего электрического оборудования подвижного состава; в) простота и экономическая целесообразность всей системы. Эти достоинства обусловливают преимущественное применение постоянного тока на городском транспорте всех стран мира.
В настоящее время в СССР на городском электрическом транспорте применяется только система постоянного тока, на пригородных и магистральных дорогах — система постоянного тока и система однофазного тока нормальной частоты (с преобразованием его в постоянный непосредственно на подвижном составе).