Tanto se pode dizer «fração de segundo» como «fração de segundos». 

O nome fração é usado para referir uma «parte de um todo» (Infopédia), quer isto dizer que fração é um nome fragmentador, isto é, designa conjuntamente com a estrutura nominal a que se aplica um conjunto de fragmentos (ou partes, ou parcelas) da substância ou entidade identificada. Nestes casos, será a designação de uma parte de um segundo ou de vários segundos. 

De acordo com João Andrade Peres, em Semântica do Sintagma Nominal, na Gramática do Português (Fundação Calouste Gulbenkian), os complementos de nomes coletivos e fragmentadores são quase sempre nominais, introduzidos pela preposição de, podendo ser nomes ou grupos nominais no singular ou nomes ou grupos nominais no plural. Por conseguinte, o complemento do nome fração tanto pode estar no singular como no plural, ou seja, tanto se pode dizer «fração de segundo» como «fração de segundos». Note-se, contudo, que o significado das duas expressões pode ser ligeiramente diferente, sendo «fração de segundo» referente a uma parte de um segundo e «fração de segundos» a uma parte de vários segundos, ou seja, mais tempo. Esta diferença mínima pode não ser atualizada pelo falante quando usa a expressão.

Numa pesquisa no corpus do português, organizado por Mark Davies, encontram-se usos tanto de «fração de segundo» como «fração de segundos». 

Quanto ao uso do nome fração no plural também não existe nenhuma regra que o restrinja, sendo, portanto, aceitável dizer-se «fração de segundos» ou «frações de segundos». A única diferença estará no sentido, já que «fração de segundos» refere apenas uma parte dos segundos e «frações de segundos» associa-se as várias partes dos segundos. 

Em suma, é correto dizer-se «Numa fração de segundos, o utente exteriorizou o cateter e encheu o leito de sangue» como «Em frações de segundos, o utente exteriorizou o cateter e encheu o leito de sangue».