3. 谐波基础与电能质量指标
谐波是三相功率测量中最容易被忽视、却最容易造成“读数对不上”的因素。要理解谐波对测量的影响，先要建立一套统一的描述语言：谐波次数、THD、TDD、谐波功率、间谐波，以及三相谐波特性。本节围绕这些指标展开，并说明它们如何影响功率表、电能表和互感器的读数。
一、谐波次数与频谱的基本约定
在周期为 T 的电压或电流波形中，若基波频率为 f₁（工频 50 Hz），则频率为 h·f₁ 的分量称为 h 次谐波。h 为正整数，h=1 为基波，h=2 为二次谐波，依此类推。工程上常把 h≥2 的分量统称为谐波，把 h 为整数的分量与 h 为非整数的间谐波区分开。
需要特别说明参照约定：谐波次数以基波频率为基准，频率轴以 0 Hz 为原点向右递增；相位以基波电压过零点为参考。全文及图示均采用这一约定。若某次谐波频率不是基波整数倍，例如 75 Hz、125 Hz，则属于间谐波，不能简单归入某一次谐波。
从频谱角度看，一个畸变波形可以分解为基波与各次谐波的叠加。测量仪器通常先对采样序列做 FFT，得到各次谐波的幅值和相位，再据此计算有效值、功率等派生量。因此，谐波分析的精度直接取决于采样同步、窗函数和频谱泄漏抑制。
二、THD 与 TDD：两个容易混淆的指标
总谐波畸变率 THD（Total Harmonic Distortion）用于衡量波形偏离正弦的程度。对电压和电流，定义略有不同：
- 电压 THD：各次谐波电压有效值的平方和开方，除以基波电压有效值，再乘以 100%。
- 电流 THD：各次谐波电流有效值的平方和开方，除以基波电流有效值，再乘以 100%。
THD 的分母是基波分量，因此当基波很小时，THD 会显得很大，甚至超过 100%。这在轻载或待机工况下很常见，容易造成误判。为克服这一局限，引入了 TDD（Total Demand Distortion）。TDD 的分母不是基波电流，而是最大需求电流（通常取一段时间内的最大基波电流或额定电流）。这样，TDD 更能反映谐波电流对电网的实际“污染程度”，也更适合与限值标准对照。
实际判断时，可以这样分工：THD 用于描述波形质量，TDD 用于评估谐波电流是否超标。两者不能互相替代。例如某变频器轻载时电流 THD 可能高达 80%，但 TDD 只有 5%，说明其对电网的实际影响有限。
三、谐波功率与功率因数
谐波不仅改变波形，还参与功率传输。总有功功率 P 是各次谐波有功功率之和：P = Σ P_h，其中 P_h = U_h·I_h·cosφ_h。同理，无功功率 Q = Σ Q_h，视在功率 S = U_rms·I_rms。注意 S 并不等于 P 与 Q 的简单平方和，因为不同频率分量之间不能直接做相量合成。
由此引出两个功率因数概念：
- 位移功率因数 DPF = cosφ₁，只反映基波电压与基波电流的相位差。
- 总功率因数 PF = P / S，同时包含相位偏移和谐波畸变的影响。
当谐波严重时，PF 会明显低于 DPF。若只按 DPF 计算电费或补偿容量，就会低估实际需求。这也是谐波场合下无功补偿柜容易过载或谐振的原因之一。
四、间谐波与三相谐波特性
间谐波指频率不是基波整数倍的分量，常见来源包括电弧炉、变频器、周波变换器等。间谐波会引起电压闪变、滤波器失谐，还会使 FFT 出现频谱泄漏，导致相邻谐波幅值读数偏高或偏低。处理间谐波时，需要加长采样窗口或采用加窗插值算法，不能简单套用整数次谐波的测量设置。
三相系统中，谐波还表现出序分量特性。以三相对称非线性负载为例：
- h = 3k（3、6、9…）次谐波，三相同相位，属于零序分量，会在中性线上叠加，导致中性线电流可能超过相电流。
- h = 3k+1（1、4、7…）次谐波，为正序分量，与基波同向旋转。
- h = 3k+2（2、5、8…）次谐波，为负序分量，与基波反向旋转。
这一规律对测量有直接影响：三相三线制中零序谐波没有回路，不会出现在线电流中；而三相四线制中零序谐波会在中性线汇集。若功率表只测两相或采用两瓦特计法，零序谐波功率可能被漏计，造成三相总功率偏小。
五、对测量仪器的实际影响与应对
谐波对测量的影响主要体现在三个方面。第一，有效值测量。普通平均值响应表按正弦波校准，遇到畸变波形会明显偏低；应选用真有效值（True RMS）仪表。第二，功率测量。模拟乘法器或低采样率功率表无法正确计算各次谐波功率，导致 P、Q 偏差；应选用支持谐波功率计算的数字功率计，并确认其带宽覆盖目标谐波次数。第三，互感器与分流器。谐波频率下互感器变比和相位误差会变化，高频谐波可能被衰减或相移，需核对互感器的频率响应曲线。
以横河 WT 系列功率分析仪为例，测量谐波时通常需要设置：基波频率 50 Hz、PLL 源选择电压或电流、谐波次数上限（如 50 次）、采样率满足最高次谐波 2 倍以上。若被测信号含间谐波，应改用宽频模式或加长窗口，并观察频谱泄漏是否影响相邻谱线。
综合来看，谐波基础与电能质量指标不是孤立的概念，而是一条从波形分解到指标计算、再到测量误差的完整链条。理解谐波次数、THD、TDD、谐波功率、间谐波和三相序分量特性，才能在面对畸变波形时判断仪表读数是否可信，并选择正确的测量方法与设备。