Вы работаете с разницей во времени, поэтому использование datetime.timedelta
подходит только здесь:
>>> import datetime
>>> d1 = datetime.datetime.strptime("00:08:30.291", "%H:%M:%S.%f")
>>> d1
datetime.datetime(1900, 1, 1, 0, 8, 30, 291000)
>>> d2
datetime.datetime(1900, 1, 1, 0, 2, 30, 291000)
>>> dt1 = datetime.timedelta(minutes=d1.minute, seconds=d1.second, microseconds=d1.microsecond)
>>> dt2 = datetime.timedelta(minutes=d2.minute, seconds=d2.second, microseconds=d2.microsecond)
>>> fin = dt1 + dt2
>>> fin
datetime.timedelta(0, 660, 582000)
>>> str(fin)
'0:11:00.582000'
Также, пожалуйста, не используйте такие имена как sum
для ваших переменных, вы встроены в теневое копирование.